湖泊如何发电

当谈话转向清洁可再生能源时，蒸发通常不是首先被提及的事情，甚至根本不会被提及。

然而，科学家认为，美国湖泊和水库的蒸发可以产生目前该国近 70% 的电力。甚至更好的是，它可以满足白天和晚上的需求，解决太阳能和风能带来的间歇性问题。

“蒸发一年四季都在发生，”哥伦比亚大学研究生、 《自然通讯》杂志上发表的一项新研究的主要作者阿赫梅特-哈姆迪·恰武什奥卢说，该研究计算了蒸发作为可再生能源未来可能产生的影响。“通过控制蒸发，我们可以储存和控制电力输出，使我们能够按需提供可靠的能源，而无需电池和其他储能方法。”

哥伦比亚大学生物物理学家、该论文的资深作者 Ozgur Sahin 开发了一种技术，利用无害的土壤细菌枯草芽孢杆菌的孢子在周围空气的相对湿度变化时吸收和释放水分。在高湿度下，孢子会吸收水分并膨胀，而在低湿度下，它们会释放水分并收缩。“在这个过程中，它们就像肌肉一样，”他说。“它们是高效的肌肉，可以将孢子组装成更大的材料，当湿度水平变化时，这些材料会移动并产生力量。”

这台机器由 Sahin 的实验室开发，通过打开和关闭的百叶窗来控制湿度，促使涂有孢子的塑料条膨胀和收缩。“当百叶窗关闭时，水面的蒸发会提高百叶窗下方的湿度，导致涂有孢子的塑料条伸长，”他解释说。“塑料条的移动会打开百叶窗，通过释放水分来降低湿度。当涂有孢子的塑料条缩短并关闭百叶窗时，循环就完成了。由于这个过程是循环的，所以涂有孢子的塑料条会反复伸长和缩短。”

金属条移动的一端与发电机相连，发电机产生电力。“我们拥有利用风能、水能和太阳能的技术，但蒸发同样强大，”萨欣说。“我们现在可以估算出蒸发的潜力。”

该技术还具有节水潜力。研究估计，从湖泊和水库自然蒸发到大气中的水有一半可以在这一过程中得到保存，每年约有 25 万亿加仑，约占美国人用水量的五分之一。

沙欣补充说，保存这么多的水对天气模式的影响很小。即使大规模部署，他的技术也无法有效减少随后导致暴雨的大气湿度，因为“降水和湿度主要由海洋造成，”他说。

克劳斯·莱克纳 (Klaus Lackner) 是亚利桑那州立大学的一名物理学家，他没有参与这项研究，他正在开发一种人造树，这种树可以从空气中吸收二氧化碳，部分是通过蒸发来吸收二氧化碳的。“蒸发可以做很多工作，”莱克纳说。“很高兴看到干燥和润湿循环也可以用来收集机械能。”

在计算蒸发的潜在输出时，作者将计算范围限制在气象站数据容易获得的美国，并排除了农田、河流、五大湖和海岸线等地区，以避免与模拟更复杂的相互作用相关的错误。

可以肯定的是，研究人员的工作仍处于实验阶段，仅限于实验室。然而，“如果这项技术能够提高效率并扩展到足球场大小，那么广泛使用蒸发作为能源是可能的，”Sahin 说。“农民、市政当局和水管理机构使用了许多这样的水体”，除了天然水体外，它们还可以提供蒸发源。此外，由于使用的许多材料都是生物材料，很容易种植，因此机器可能不会非常昂贵，他补充道。

其主要优势之一是只在需要时才发电。而太阳能和风能则需要在没有阳光或没有风时使用备用电池。此外，电池并不便宜，而且通常由有毒材料制成。

“人类的电力需求随季节和日变化，”恰武什奥卢说。“我们在夏季使用更多的能源，在人们下班回家的傍晚使用更多的能源。然而，风能和太阳能的供应无法满足我们的需求。这种按需能源的需求对我们的日常生活很重要，从医院的灯亮到让我们在家观看 Netflix。”

由于在温暖干燥的天气中蒸发会产生更多能量，加利福尼亚州、内华达州和亚利桑那州等干旱多发州可以从这项技术中受益匪浅。“有趣的是，许多干燥空气地区确实有一些湖泊或大型水体，”萨辛说。“例如，科罗拉多河和由水坝形成的大型湖泊，如米德湖、莫哈维湖、鲍威尔湖和哈乌苏湖。”

不过，“如果没有水体或其他湿润表面，蒸发量将微不足道，这一概念将无法实现，”他补充道。“然而，即使在这种情况下，也可以利用相对湿度的每日变化来发电。”

几年前，Sahin 的实验室还开发了一种蒸发燃料活塞驱动发动机，该发动机发电后会发出闪光，还有一种转子发动机可以驱动微型汽车。科学​​家们现在正致力于提高材料的能源效率，并计划在湖泊、水库或温室中测试他们的理念，这种技术既可以节约用水，又可以发电。

“如今，可再生能源技术的进一步发展面临着许多技术和非技术挑战，”Sahin 说道。“基于蒸发的可再生能源技术可以很好地补充现有技术，提供更适合特定地点的替代方案，或者在其他可再生能源技术无法发电时发电。”

玛琳·西蒙斯为 Nexus Media 撰稿，这是一家涵盖气候、能源、政策、艺术和文化的联合通讯社。