风能和太阳能中断时使用水电

4 月初，政府间气候变化专门委员会 IPCC 发布了第三工作组报告，描述了世界各国可以采取哪些措施来防止全球变暖达到灾难性水平。选择有很多，而且迫切需要采取行动——工作组得出的结论是，到 2025 年，全世界只有 30 个月的时间让温室气体排放量达到峰值，然后才必须降低它们。

然而，这份发人深省的报告并非没有亮点。一项重要发现是，近年来可再生能源成本大幅下降，使得用非化石燃料满足世界能源需求变得越来越可行。

然而，利用风能和太阳能等可再生能源需要以不同的方式思考当太阳不照耀且风不吹时该怎么做。

挪威科技大学 (NTNU) Gløshausen 校园内的一个拥有一百年历史的实验室正在帮助提出解决方案。您可以在NTNU 的英语播客 63 Degrees North的最新一集中了解该实验室和在那里进行的研究。

电池或备用电池

实验室——水力实验室——是一个五层高的结构，里面装满了 600 毫米不锈钢管道和装有 450,000 升水的水箱，研究人员可以在比例模型上测试涡轮机。

因此，当风停止或暴风雨来临时，我们可以在需要时在更短的时间内利用这些水。然后当我们有足够的风时我们停止水力发电厂。

涡轮机与发电机相结合，是将落水的动能转化为电能的关键结构。

NTNU 能源与过程工程系教授兼水电实验室负责人 Ole Gunnar Dahlhaug 表示，水电本身是一种可再生资源，但随着越来越多的可再生能源的建设，它现在越来越受到关注。

关键是，当太阳能或风能无法发电时，水力发电厂可用于备份太阳能或风能。

“挪威系统有 1000 多个水坝。在那个水坝里，我们有很多水。当水在水坝里时，它就是一个电池。那个电池是 87 太瓦时。我会说这大约是挪威每年能源利用率的 60% 到 70%，”他在实验室的 63 Degrees North 播客节目中说。“所以这是一个相当大的电池。”

其工作方式是利用来自可再生能源的多余电力将水从下层水库抽到上层水库。这就是“电池”。水可以储存在上层水库中，直到需要电力。然后，来自上层水库的水可以通过水电站回流下来发电。

“因此，当风停止或暴风雨来临时，我们可以在需要时在更短的时间内利用这些水。然后当我们有足够的风时，我们会停止水力发电厂，”达尔豪格说。

这就是水力实验室正在发挥作用的地方：当今水力发电厂中的大多数涡轮机都无法承受突然启动和停止的压力和应变，更不用说通过系统上下抽水了。

操作灵活，除气水

Johannes Kverno 正在攻读博士学位。研究，研究一种称为混流式涡轮机的水力涡轮机的应力。在他的部分研究中，他在弗朗西斯涡轮机的比例模型上使用传感器来测量当他在实验室中让高压水流过涡轮机时，不同类型的操作会对涡轮机产生多大的压力。

“由于水电是一种真正快速反应的动力源，它非常有用且可用于根据需求和供应进行快速调整。但当然，挪威的大多数涡轮机至少是为更稳定运行而设计的接近他们的设计点，”他在播客节目中解释道。“因此，操作更灵活，会产生更多的疲劳，这将缩短跑步者的寿命，增加工厂的运营成本。”

Vera Gütle 最近在水电实验室完成了她的研究硕士学位，她利用这些设施研究减少水电设施周围高水流对环境影响的方法。

问题是，如果水电站周围的水被空气过度饱和——这可能发生在高流量时期，比如春季融雪期间——它会使鱼生病，就像呼吸加压空气的潜水员一样太快地浮出水面会导致“弯道”，在这些弯道中会在血液中形成气泡。

水力实验室使 Vera 能够模拟这些条件并测试实际去除多余空气的方法——在这种情况下，使用超声波。他们用空气给一个 18,000 升的水箱加压，然后让水流过一个通道。

“所以我们让水箱里的水流过通道。然后我们应用超声波并测量溶解在水中的空气量。然后我们正在测试是否可以减少空气中的空气量频道，”她在播客上说。

水电超级计算机

水电在挪威作为一个国家的历史中发挥了至关重要的作用，而水电实验室背后的故事与该国如何建立现代经济有着千丝万缕的联系。

建造它的工程师是一个名叫 Gudmund Sundby 的人。1912 年，他受雇于成立两年的挪威理工学院，帮助该大学开发其水电项目。这是一项巨大的责任，因为挪威指望水电成为将其带入全球经济的经济引擎。

1912 年，挪威还是一个年轻的国家——它于 1905 年解散了与瑞典的联盟——需要开发它所拥有的少数自然资源来建设经济。凭借其陡峭的山脉和充足的降雨，水电是挪威经济发展的明显动力。

如果挪威不开发其水电潜力，其他国家也会这样做。其利用落水生产廉价电力的未开发能力已经使挪威成为铝等能源密集型产业的磁石。在 1900 年代初期，西方国家蜂拥到挪威购买瀑布的使用权——以至于年轻的挪威政府不得不通过后来被称为“恐慌法”的法案来控制局势。

必须有人建立专业知识来驾驭这些狂野的水域。那个人就是古德蒙德·桑比。

但桑比需要帮助。在一个所有计算都必须手动完成的时代，Sundby 真的需要一台相当于 1912 年的超级计算机——一个高科技实验室，未来的工程师可以在这里大规模测试和改进他们的设计，拥有足够的水力来真正了解他们的计算是否正确对。

到 1915 年，桑比提出了自己的理由。政府 1915 年的国家预算中包含 15 万挪威克朗的专项拨款，用于在挪威理工学院建造水电实验室。该专项资金占当时国家预算的 0.1%。在您意识到 1940 年代，政府“仅”将其国家预算的 1% 用于开发原的曼哈顿计划之前，这听起来可能并不多。

标签：