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云无心

 
 
 

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当淡水流向海水——没有落差的水如何发电  

2008-05-20 09:06:00|  分类: 案头之山水 |  标签: |举报 |字号 订阅

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北欧主要的电力公司之一Statkraft决定在挪威建立“世界上第一座渗透压发电站”,预计2008年底竣工。对于可再生能源,人们对于太阳能、风能、潮汐能、地热、水电等耳熟能详,这个“渗透压发电”又是个什么东西呢?没有落差的水,如何发出电来呢?

让我们先来看看“渗透压”是什么东西吧:

假设有两杯水,一杯淡水,一杯盐水,底部用一根管字连通起来。淡水一边没有盐,对于盐水里的的盐离子来说,淡水那边是无人居住的旷野,所以纷纷跑到那边去抢滩。而对于水分子,虽然两边都很多,但是盐水那边的密度还是要小一些(被盐占据的空间水分子是视而不见的),所以还是倾向于从淡水一侧向盐水一侧游弋。于是,不需要任何外部压力,水分子和盐离子就产生了大规模迁徙,一直到两杯水实现“种族融合”,“两杯共荣”为止。

有一种东西叫做“半透膜”,类似于门卫或者关卡,能够选择性地拦截住一些物质而让另一些通过——“半透膜”这个名字有点误导,望文生义是“透过一半留下另一半”。其实不然,它是让一些种类通过而另一些种类留下。就像一道写着“男士莫入”的门,女士们可以自由进出而男士们就被截下了。

有一种半透膜作用是拦住所有的盐离子,而允许水分子自由来去。如果我们把这样的一层膜装在盐水和淡水之间,那么盐离子就将无法跑到淡水那边,但是水分子依然可以从淡水那边溜到盐水里。宏观上看,就仿佛有一个压力推动淡水往盐水那边跑一样。这样的一个压力,就被称为“渗透压”。由于盐水这边只进不出,淡水那边只出不进,盐水一边的水位逐渐升高而淡水那边逐渐降低,结果产生了水位差来抵抗渗透压的作用。到最后这个水位差足够大,完全抵消了渗透压的时候,通过半透膜来来往往的水分子一样多,宏观上看这个世界就清静了。这时候的水压差也就可以用来计算盐水的渗透压。如果在盐水的一侧外加一个高于其渗透压的压力,不难想象,盐水一侧的水分子就纷纷逃难到纯水一侧,而盐离子逃不掉,只好心不甘情不愿地留下。宏观上看,盐水就变成了淡水。这被称为“反渗透”,已经大量应用于海水淡化和废水处理了。这是题外话,按下不表。

有个叫范德霍夫(Van’t Hoff)的荷兰人推导出了一个公式来计算任何溶液的渗透压。他的公式计算结果与实验测量高度一致。海水通常含有百分之三点几的盐,这个浓度的渗透压大致相当于二百几十米的水位差。换句话说,如果在淡水和海水之间放置半透膜,那么其间的水压相当于二百几十米的大坝!

地球上有无数的海滨,多数江河里的淡水最终也流向大海。如果我们在二者交汇的地方装上半透膜,那么海水的渗透压蕴含的能量就可能用来发电。这样的能源清洁无污染,可再生,也不用修大坝而被许多“环保人士”痛骂。

这就是“渗透压发电”的原理。这样的原理早在1973年就被提出来了,但是其后的二十多年中一直没有大的进展。主要原因就是成本实在太高,而且实际建造中也面临一些工程技术上的困难。1997年,Statkraft开始进军这一领域。经过十余年的研究,伴随着膜技术的发展,他们认为实际建造渗透压发电站的时机已经来临,于是在2007年宣布将建造一座容量为2~4千瓦的渗透压模型电站,预计在2008年底完成,算是开始了“渗透压发电”的商业化进程。

Statkraft开发的渗透压发电站采取的是被称为“压力延迟渗透(Pressure Retarded OsmosisPRO)”的方式。简单来说,就是经过预处理的淡水进入半透膜区域,半透膜另一侧是海水。绝大部分的淡水在渗透压的作用下伸过半透膜,小部分相当于费液被排掉。透过半透膜后水压大增,目前能够获得的压力能够达到理论值的一半,相当于一百多米的水位差。这些水一部分去冲动涡轮发电,另一部分作为循环水把海水“压”进半透膜区域。正常运行条件下,半透膜装置能够使用7~10年。PRO还有另一种设计是把膜装置和发电装置修到海面下一百多米处,这样可以利用海水的自然压力来压入海水,从而大大提供整个体系的运行效率。当然,这种方式需要的修建成本大大增加了。

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