水下涡轮将会成为下一个大的清洁能源吗？

水下洋流的能量是巨大的，并且尚未得到开发。但是利用这种能量并不容易。

美国能源部（DoE）将探索水下涡轮机的潜力，希望使其更加高效，性价比更高。如果成功的话，这项工作可能会带来我们发电方式的重大转变，并推动世界向着清洁能源的未来靠近。然而，必须克服一些挑战才能使水下涡轮机成为现实。

大多数水下涡轮机的设计和部署仍处于起步阶段，关于它们如何与水下环境相互作用，还有很多东西需要学习。水动力涡轮机的高成本是将其广泛商用时的另一个障碍。

然而，美国能源部的高级研究计划局（ARPA-E）在2020年11月提供了3800万美元的一揽子拨款，用于资助11个项目，以开发性价比高的水下涡轮机技术。这些项目统称为“海底水动力和河流千兆瓦系统”（Submarine Hydrokinetic And Riverine Kilo-megawatt Systems）——或简称SHARKS。

SHARKS项目旨在开发能够以低于每千瓦时0.05美元的最终成本进行发电的海洋技术。这大约是目前水下涡轮机发电成本的六分之一。Tidal Power Tug和Manta都是SHARKS项目下开发的水下涡轮机类型。

Tidal Power Tug涡轮机是由位于加利福尼亚的能源开发商Aquantis发明的，是第二代浮动式潮汐能源转换器。该涡轮机配备了一个多功能的柱形浮标平台，为直径10米的双叶可变螺距转子和160千瓦的传动系统提供支撑。此外，该涡轮机还配有平行流转子、垂直偏航的柱形浮标和先进的分析工具，其设计旨在在所有海况下实现稳定发电。

这种水下涡轮机是用于美国东海岸海湾流的理想选择，海湾流会形成很多环形流动，也即旋涡。这些能源密集型的涡流距主要城市很近，使其成为一种战略性的能源资源。

Manta是另一种水下涡轮机，它旨在从流动的水中获得能量。

Manta由位于加利福尼亚的SRI国际研究所设计，它依赖于一个由轻质泡沫和玻璃纤维制成的风筝，并将一个小型发电机固定在海床上。当涡轮机在水流中动起来时，它就会放出一卷系绳，使发电机转起来并在此过程中产生电力。

为了防止与船只和风暴相撞，这个类似风筝的涡轮机还配备了一个马达，用于调整方向和放气。此外，由于Manta可以在缓慢的水流中通过最小的运动量发电，因此它非常适合为小型和孤立的社区供电。

SRI研究所从ARPA-E获得了420万美元的资金，用于测试Manta水下涡轮机并证实其功效。

美国政府的主要清洁能源研究机构——国家可再生能源实验室（NREL）正与几个SHARK项目开展紧密合作。为了改善和分析这些项目的效率，NREL的工程师正在设计一个开源软件，该软件将把新型海洋技术的技术设计、控制和优化等因素结合起来。

由于水下涡轮机的工作原理类似于风力涡轮机（两者分别就水和空气的流体运动产生反应），NREL计划使用OpenFAST（一种开源风力涡轮机模拟工具）的数据来预测SHARK项目的性能。然而，这其中有一个小问题：水的密度比空气大得多。NREL目前正对OpenFAST做出调整，以将此物理差异考虑在内。

水动能有可能提供清洁和可再生的能源。此外，由于水是不断运动的，水下涡轮机可以24小时提供电力，这使其成为比风能和太阳能更可靠的能源。

随着成功实施，它们可以产生以下积极影响：

能源安全

水下涡轮机可以帮助减少对单一能源的依赖，为国家电网提供其亟需的能源多样性。它们还可以作为恶劣天气条件下停电时的备用能源。

经济性

由于水动能涡轮机是一种相对较新的技术，因此它们能为各国提供创造新产业和就业机会的机会。它们也有可能降低能源成本，从而刺激经济增长。

环境

由于水动力技术是从水系统中获取能量的，因此它有可能减少温室气体的排放。此外，由于水下涡轮机不需要建造水坝或水库，因此与其他形式的可再生能源相比，它们对环境的影响最小。

SHARKS水下涡轮机技术有可能为一种新的可再生能源打下基础，一种可以用来为小型、孤立的社区和大城市供电的能源。特别是对于那些依赖昂贵的柴油发电机的小社区来说，水力涡轮机可以为其提供更便宜、更清洁的能源。此外，这些水下涡轮机不会产生视觉或噪音污染，这也使其成为更有吸引力的提议。

水下涡轮机面临的最大挑战是证明其技术和经济的可行性。但如果能够做到这一点，这些涡轮机将有可能成为下一个大的可再生能源。

本文原载于世界经济论坛Agenda博客，转载请注明来源并附上本文链接。

翻译：张一凡

校对：王思雨