南极清洁能源利用现状及其展望

学术   2024-11-07 09:52   上海  
摘 要

伴随着南极科学考察的深入开展,南极考察活动的后勤保障引起的环境问题日益凸显,传统的以燃油为主的能源消耗结构已无法适应发展需求,而南极恶劣的自然环境和复杂的应用场景使能源供应和使用方式鲜有创新。因此,清洁能源利用技术日益成为影响南极科学考察的重要因素,迫切需要得到发展及应用。基于此,文章系统地梳理了南极清洁能源利用技术的成果,指出目前仍以燃油为主的南极能源消耗结构,阐述了各国南极科考站清洁能源的应用现状,讨论了南极清洁能源利用技术的难点,并展望了其未来发展。

作者|张维哲①②, 李丙瑞②†, 窦银科, 陈燕, 李亚

①太原理工大学 电气与动力工程学院;②中国极地研究中心


人类开展南极考察活动已有近300年历史。1772年英国探险队首次到达南极海域;半个世纪后,一位美国船员作为第一位踏上南极大陆的人,成为探索南极大陆的先驱之一。此后人类对南极的认知不断加深。法国于1954年8月在南极建成了“迪蒙•迪维尔”站;美国于1957年在南极点建立了“阿蒙森•斯科特”站。1957至1958年国际地球物理年期间,各国科学家共同开展了有史以来规模最大的极地科学研究,并通过了《南极条约》,这标志着南极考察活动进入科学考察时代。

我国南极科学考察活动始于20世纪80年代。迄今为止我国已连续独立开展了40次南极科学考察活动,建设有长城站、中山站、昆仑站、泰山站、秦岭站五个科学考察站,还有“雪龙”号船、“雪龙2”号船以及“雪鹰601”固定翼飞机作为南极科学考察的平台支撑,成为了南极考察大国。


1 南极环境特点


南极洲总面积约为1 400万km2,大部分地区位于南极圈(南纬66°33′)以南,由南极大陆、陆缘冰和周边岛屿组成。其中,南极大陆是世界上最高的大陆,平均海拔高达2 350 m,内陆高原海拔可超过4 000 m。

南极处于特殊的地理位置,因此有特殊的环境特点,主要概括为寒极、风极、冰极以及旱极。寒极,即南极大陆是全球平均温度最低、最寒冷的地方。年平均温度约为-25 ℃,即使在南极沿海等温度较高区域,年最冷月平均温度也低至-18 ℃。科研工作者于1983年在苏联 东方站测得-89.2 ℃的低温,并将其确定为南极冰点。风极,即南极大陆是世界上风力和风速最大的区域。年平均风速高达18 m/s,其中东南地区受地势因素影响风力最强,可达40 ~ 50 m/s。年强风天气多达300 d。在法国迪维尔站曾观测到世界上有记录的最大风速——100 m/s。冰极,即南极大陆表面几乎完全被冰盖所覆盖。经科研人员估算,冰盖的平均厚度达2 200 m,冰雪总体积超过2 800 km3,占全球冰雪总量的绝大多数。此外,南极还储存着全球近八成的淡水资源。旱极,即南极大陆是世界上最干燥的大陆。年平均降水量仅有50 mm,极点附近几乎无降水;降水量较多的沿海地区年降水量也只有200~500 mm[1-3]

此外,南极大陆有独特的自然现象——极昼/极夜,其日数随纬度和时间变化,具体情况见表1。极昼/极夜期间,太阳能波动巨大:每年的4—10月为冬季,太阳能十分匮乏;11月到次年的3月为夏季,在此期间太阳能较为充足。以罗斯海沿岸区域为例,南极罗斯海地区一年内太阳辐射变化情况见表2。

表1 南极地区极昼极夜日数统计      d


表2 南极罗斯海沿岸区域一年内太阳辐射变化情况                    kWh·m-2


综上所述,南极主要环境特征为极低温、多强风、多冰雪、降水少和日照变化大。恶劣的自然环境和特殊的地理位置,给南极科考造成巨大的困难,也给南极科考站的建设及维护运行带来极大的挑战。因此,最大程度地实现对当地资源的利用,尤其是清洁能源的利用,对南极科考具有重要意义。


2 南极能源应用现状

2.1  南极能源消耗结构仍以燃油为主


自20世纪50年代末,现代南极考察活动持续近70年。统计数据显示,目前国际上共有31个国家及部分国际组织在南极地区建立了90多个科考站、实验室和营地,其中包括37个常年科考站。科考站数量变化如图1所示。

图1 不同时期南极考察站数量


目前南极科考站的能源供给大多数依靠南极之外地区运输燃油,以柴油和汽油为主,其中汽油支撑南极交通工具的使用,柴油发电机实现科考站的能源供给。可见,燃油是南极物资运输、设施运行以及科学考察队人员生活工作的基本保障。据了解,至今共有约40个南极科考站的一次能源供给均为燃油[4],我国中山站、长城站、昆仑站的燃油消耗占一次能源消耗的90%以上,这都表明目前南极能源消耗结构仍以燃油为主(图2),因此亟须探索、发展清洁能源利用技术以改变这种能源消耗结构[4-5]

图2  近年世界范围内南极科考能源消耗占比


2.2  南极清洁能源利用技术仍需探索


21世纪以来,为减少南极科考站的燃料消耗和排放,清洁能源中的太阳能和风能成为各国探索最多的替代能源[6]。截至2022年,已有29个国家较先进的科考站安装了清洁能源发电装置[7],其中大部分是对太阳能或风能的利用,少部分是对潮汐能等其他清洁能源的试验和小规模应用。相关南极清洁能源应用案例见表3。此外,部分极地科考设备通过使用清洁能源利用技术实现了改善。如长期观测或野外采样的科研项目中,一般选用移动式机器人进行数据采集或样本收取,而传统的移动式机器人多采用燃油作为动力,这将对南极环境造成一定程度的污染。王田苗等人[8-9]研究设计出以清洁能源(风能和太阳能) 为驱动力的极地漫游机器人,并成功地在极地进行试验。但是,由于尚缺乏针对南极环境特点的清洁能源利用技术的系统性研究以及应用开发,极地漫游机器人在安全稳定运行方面无法做到真正替代以燃油为动力的传统的移动式机器人,这表明南极清洁能源利用技术仍需进一步探索。


2.3  国内外主要南极科考站清洁能源应用现状


由于近年来南极科考活动逐渐增多,以燃油为主的传统能源消耗结构已无法适应发展需求。许多国家的科考站开始尝试应用清洁能源,以替代传统的燃油消耗。目前,太阳能和风能是应用最广泛的清洁能源。本文对各国南极科考站清洁能源应用情况进行整理,为未来南极清洁能源利用技术的发展提供应用性的参考。

(1)比利时伊丽莎白站


比利时伊丽莎白站于2009年建成,是全球首座零能耗的南极科考站。该科考站完全依靠可再生能源满足建筑运行和人员生活的需求,通过综合使用环境友好型建筑材料、清洁能源利用技术、优化的能源消耗方案及废物处理技术,最大限度地降低科考活动对南极环境的影响。


表3 南极清洁能源应用案例


该科考站一方面在建筑围护结构表面铺设橡胶膜,旨在减少冷风渗透,使建筑围护结构的热量损失降到最低;另一方面利用被动式建筑技术,有效提高墙壁和地板的隔热性能,降低建筑在极低温环境中的能耗。此外,建筑屋顶安装建设有太阳能板,不仅利用太阳能融化积雪作为水源,而且充分利用太阳能以实现节能。伊丽莎白站风能和太阳能综合发电站如图3所示。


图3  伊丽莎白站风能和太阳能综合发电站(图片来源:https://www.sma-sunny.com/wp-content/uploads/2022/02/KV-princess-elisabeth-1.jpg)


该科考站共包含408块太阳能电池板,可提供50.6 kWh电能;有9台自调节风力涡轮机,总发电量可达54 kWh;通过安装蓄电池实现对多余电能的储存,满足不同情况对电力的需求。整个建筑由控制器对相关设备进行集成控制,在保证科考站稳定运行和科研人员生活需求的前提下,通过自动调整实现建筑能耗最低[10]

伊丽莎白科考站在清洁能源利用中的创新措施,极大地降低了建筑的运行能耗,为未来极地科考中对清洁能源的利用打下了坚实的基础。

(2)巴西费拉兹站

巴西费拉兹站建设有集热电联产、风能、太阳能和有机固体废物利用的完整的能源利用系统。巴西费拉兹站如图4所示。发电过程中发电机组的发动机产生大量热能,可以满足该科考站的供热及生活热水需求,科学地降低了科考站能耗。在清洁能源方面,该站所在区域年平均风速超过5.2 m/s,完全满足风力发电的需求,并于2009年建成了风力和柴油混合发电系统。经计算,该混合发电系统发电量达99.2 MWh时,风力发电量为43.2 MWh,占比约40%。此外,由于南极独特的极昼/极夜现象的影响,该科考站所在地区在夏季的太阳能资源也十分丰富。据统计,仅2009年1月份,该科考站太阳总辐射量达125.59 kWh/m2,这为太阳能的利用提供了良好的自然条件[11]

图4  巴西费拉兹站(图片来源:https://www.gov.cn/xinwen/2020-02/10/W020220405385408478905.jpg)


巴西费拉兹站对固体废物能的利用进行了小规模尝试,给未来极地科考活动中清洁能源的利用提供了一种新的可能性。

(3)新西兰斯科特站

新西兰与澳大利亚在斯科特站共同建设安装有总容量为600 MW的风力发电系统,目前该发电系统发电量可满足科考站大部分的用电需求[9]。斯科特站如图5所示。此外,斯科特站利用地热能进行发电,总装机容量约1000 MW,通过不断优化运行方式,提高地热发电效率,在2010— 2020年10年期间实现了发电量飞跃式的增长,成功将清洁能源发电量占比提升了约15%。站内建筑也采用了很多节能措施,主要包括在外围护栏上加隔热板、采用双层玻璃等,以最大程度地减少能耗。

图5  新西兰斯科特站(图片来源:https://ts1.cn.mm.bing.net/th/id/R-C.6db62ac27db79d6f2f89c7184f7bed5f?rik=hTmf4buJ18odig&riu=http%3a%2f%2fwww.capablist.com%2fCellFile%2f3741386_12201800424.jpeg&ehk=D6Fvg%2foKbqyC8OYdVWct4QAwyzZpL2FmCgul8ag2TDA%3d&risl=&pid=ImgRaw&r=0)


(4)澳大利亚莫森站


莫森站位于南极大陆边缘,如图6所示。莫森站区域的年强风日可达300 d,最高风速达82 m/s。安装建设三台300 kW的风力发电机,其风力涡轮机使用三片叶片横轴式涡轮机。涡轮机启动风速为2.5 m/s,额定风速为12.5 m/s,风速达到28 ~ 34 m/s时,涡轮机停止工作,发电机输出电压为690 V。经过近四个月的运行,可节约40%的化石燃料。此外,澳大利亚在马科里岛站,也使用了太阳能和风能发电,作为站区建筑的补充能源[12]

莫森站气候条件与我国中山站相似,因此莫森站风能利用的方式对于中山站实现风力发电具有很好的参考价值。

图6 莫森站的风力发电系统[11]


(5)日本南极Syowa站

日本Syowa站安装有55 kW的太阳能板,每年发电量约44 000 kWh,可减少3%~5%化石能源的使用量。站内的太阳能板配备有空气型太阳能集热器,如图7所示。集热器通过捕获阳光中的热量并转移至科考站建筑的墙壁上,来减少能量消耗[13-14]

图7  Syowa站的太阳能集热器(图片来源:https://www.gruan. org/gruan/_processed_/7/7/csm_building_2de7d50ba7.jpg)


日本Syowa站太阳能集热器的安装,实现了对太阳能的充分利用。这种方式值得各国科考站借鉴。

(6)中国泰山站、中山站

我国的泰山站已建成80 kW的风力发电机与60 kW的光伏发电站[15],中山站也曾建设运行21 kW的小型风力发电场和10 kW的小型太阳能光伏阵列。我国在南极科考站建设的清洁能源系统如图8所示。

图8  我国南极科考站建设的清洁能源系统[16]


我国在南极中山站附近区域,安装建设了一组风力发电机[17-18](图9),于2015年运行。此风力发电机组包括7个额定功率为3 kW的风力发电机,大风天中发电量可达40 kWh/d。在太阳能利用方面,中山站建有80 m的太阳能板,平均发电量为17.6 kWh/d。目前,中山站清洁能源发电量约占其总发电量的1/10,一年共可节省20 t柴油[19]。这表明我国南极科考站在清洁能源利用方面已小有成效。

图9 南极中山站的风力发电机[19]


3 南极清洁能源利用存在的问题


3.1  风能利用存在的问题


南极科考站清洁能源利用虽然取得了积极进展,但仍存在诸多不足。当地极端的气候环境在提供充足清洁能源的同时,也给设备的建设安装、维护使用带来了很大的困难。

南极终年的强风、大风天气,使风能具有很好的利用前景[20]。随着近年来各国对清洁能源利用技术的重视程度逐步提高,南极地区风能的利用得到了巨大发展。目前已有数十个科考站安装有容量不等的风能发电装置,最具有代表性的为美国阿蒙森•斯科特站于2010年安装的1 MW风力发电装置,为已知容量最大的风力发电装置。此外,在科考设备方面也成功开展了风能利用的试验。2013年2月8日,我国自主研发的首台风能驱动的机器人在南极中山站附近冰盖上成功运行。其大小为1.8 m × 1.6 m × 1.2 m(长×宽×高),重300 kg,可在风能发电驱动下不间断地昼夜行走。这对我国极地科考和机器人技术的发展具有重要意义。

过强的风力也伴随着巨大的破坏力,这对相关设施的稳定性提出了很高的要求。此外,在南极地区建设相应的风能利用设施,还需要考虑南极地区交通困难、运输不便等问题。因此,想要在南极地区很好地实现对风能的利用,还面临着很多挑战。

3.1.1  建设安装存在的问题

(1)部分过大设备运输困难

南极地区利用风能进行发电一般选用风力涡轮机。当所用风力涡轮机的功率达到300 kW以上时,其核心的发电机部分质量将达到7 ~ 9 t。考虑到南极当地特殊的情况,我国通常需要用小型驳船将“雪龙”号船上的物资运输到科考站内。过重的设备可能会超过小型驳船的最大承重,这给大型设备的运输带来了一定的困难。因此需要考虑提高南极科考站的综合建设能力。

(2)现场建设困难

南极地区的大风对于现场安装建设有一定程度的影响,主要包括时间成本、建设周期等问题。此外,由于持续的低温对传动装置的效率产生影响,应尽量避免使用传动装置,如可以使用没有变速箱的涡轮机,以保证在低温环节的稳定性。

3.1.2  使用中存在的问题

(1)发电量不稳定

由于南极的风力具有不稳定性,发电量也就具有不稳定性。所以,当发电量和负载需求不匹配时,需要利用其他方式进行调整,比如可以考虑建设安装相配套的备用发电装置进行辅助和补充。

(2)结冰影响涡轮机叶片

结合南极沿海地区相对湿度较大的环境条件,在用风力涡轮机进行发电的过程中,涡轮机叶片可能会被冰覆盖,从而影响发电效率。对此,可考虑在叶片的设计上采用电加热的方法来解决[21]

(3)风磨损及材料老化

当风力发电机所处地区主导风向的上风方向上存在非永久冰雪区,风中携带的砂石会造成风磨损,从而缩短风力涡轮机的寿命。此外,南极地区气候恶劣,同时考虑到满负荷运转会使设备关键部分老化,因此在设计时需要考虑适当加强关键部分的材料强度。

3.2  太阳能利用存在的问题

太阳能也是南极清洁能源中应用最广泛的能源之一。在南极地区,太阳能和风能一样,既是清洁能源,也是南极生态循环系统内部的能量。对太阳能的利用,不会破坏南极地区生态环境的平衡,是一种值得尝试的方式。

太阳能的利用主要包括自然光照明、集热、制冷以及发电。目前,在南极地区,被动式太阳能建筑是采用较多的一种太阳能利用方式,因无需考虑夏季制冷的问题而具有一定的优势。其充分利用自然采光[22],提高建筑的蓄热能力。应用最多的是太阳能发电技术,但由于其受天气和极昼/极夜的影响,各国多将其用于小规模发电或作为辅助能源使用,大多还处于尝试阶段。比如,澳大利亚马科里岛站使用太阳能发电为通信设备提供能源。此外,部分科考站采用太阳能集热器,来解决科考站对生活热水的需求。

南极地区利用太阳能发电面临着气候条件和自然条件的影响。南极地区的光照强度随着时间分布不均匀,强风、大风等气候条件影响轻质太阳能板的固定,因此可以考虑将太阳能板安装在建筑向阳面的外围护墙体上,这样既不影响保温效果,又可通过太阳能进行发电。此外,由于南极地区特殊的极昼/极夜的自然现象,再加上太阳高度角偏小,这使得南极地区太阳能收集有一定的困难,进而影响太阳能发电量。因此,太阳能目前在南极地区主要作为辅助能源得到应用。

3.3  清洁能源利用中问题的解决方案

综上所述,在风能和太阳能的利用过程中仍存在着许多亟待解决的问题,因此下文中提出了相应的解决方案。首先,针对风力发电装置在南极恶劣极端的环境下存在的运输困难、运行不稳定、设备不耐用等问题,可着力于设计新型结构,实现抗低温和易于搭建运输等目的,有效提高设备的运行可靠性和环境适应性。其次,针对太阳能发电装置提高使用寿命、改善发电性能和提高安装效率等要求,可致力于高效发电设计、封装胶膜设计和防覆雪设计等方面的研究。以封装胶膜设计为例,由于南极地区强烈的紫外线会导致光伏板老化、脱落等,亟须研发新型适用于南极环境的耐老化剂、稳定剂、偶联剂等,以提高封装胶膜的稳定性,进而提高太阳能发电装置的使用寿命。此外,受南极极端气候影响,清洁能源发电系统输出侧具有强波动性,严重影响负荷侧使用。通过对历史数据进行整理,研究风能、太阳能在时间、空间两个维度上的变化规律,对未来作出预测,这将极大地减少极端气候的不确定性,提高系统运行的稳定性。最后,针对设备需在南极地区极端环境下长时间可靠运行的要求,在实际应用于南极地区之前,应进行模拟南极场景的试验,如低温抗强风测试等,并对部分组成结构进行针对性试验,如对风机叶片进行低温风沙试验等。这对于实现设备在南极地区长时间的可靠运行具有重要作用。

总而言之,未来还需对清洁能源利用技术进行持续不断的探索,完善并发展多种利用方式,以求建成以清洁能源为主体的南极能源消耗结构。

4 展望


南极是全球生态系统重要的组成部分,时刻影响着全球气候的变化。人类对南极的探索已有几个世纪的历史,但自20世纪50年代起才真正进入高速发展期。通过对国内外南极科考站清洁能源应用现状的阐述,可看出目前各国南极科考站对清洁能源的利用已小有成就,但同时也暴露出很多不足[23]。为满足南极科考活动可持续发展的需求,有必要明确构建南极清洁能源系统的目标,以实现南极科考活动的升级换代。具体来说,首先,要促进不同能源之间的互补性发展,来应对南极恶劣的自然条件[24],从而提高清洁能源系统的可靠性与稳定性;其次,要通过能源管理系统,提高能源利用效率,并通过智能化技术,实现远程监控和管理,提高运行效率;然后,要加强对南极清洁能源利用技术的研发和创新,推动清洁能源技术在南极地区的应用;最后,实现清洁能源利用技术的绿色化也是重要目标之一。总之,要想逐步替代传统的化石能源,就要广泛利用风能、太阳能等清洁能源,进而在南极建立清洁能源发电系统。从上述方面进行提高和改进,将会使南极清洁能源系统更好地满足南极科考活动的需求[25],促进南极清洁能源的发展与应用,同时也将为全球清洁能源系统的建设和发展提供宝贵的经验。

参考文献


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[1] 孙弘历, 段梦凡, 赵海湉, 等. 国内外南极科考站建筑节能策略[J]. 建筑节能, 2020, 48(9): 1-7, 35.

[2] 朱建钢, 颜其德, 凌晓良. 南极资源及其开发利用前景分析[J]. 中国软科学, 2005(8): 17-22, 10.

[3] LAZZARA M A, WEIDNER G A, KELLER L M, et al. Antarctic Automatic Weather Station Program: 30 years of polar observations[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 2012, 93(10): 1519-1537.

[4] DE WITT M, CHUNG C, LEE J. Mapping renewable energy among Antarctic research stations [J]. Sustainability, 2024, 16(1): 426.

[5] 南极出现20.75℃高温全球变暖催促新能源替代一次能源[J]. 节能与环保, 2020(3): 8.

[6] 杨华. 开发利用可再生能源加强南极环境保护[N]. 贵州政协报, 2014-03-07(A01).

[7] JOSE J L, MARÍA A, LEANDRO V. Renewables in Antarctica: an assessment of progress to decarbonize the energy matrix of research facilities [J]. Antarctic Science, 2022, 34(5): 374-388.

[8] 王田苗, 张韬懿, 梁建宏, 等. 基于再生能源的极地漫游机器人研究及现场试验[J]. 机械工程学报, 2013, 49(19): 21-30.

[9] RAY E L, LEVER H J, STREETER D A, et al. Design and power management of a solar-powered “Cool Robot” for polar instrument networks [J]. Journal of Field Robotics, 2007, 24(7): 581-599.

[10] 李学华. 世界首个“绿色”南极科考站建成[N]. 科技日报, 2009-02-19(2).

[11] 左广宇. 极区独立可再生能源供电系统关键技术研究[D]. 太原:太原理工大学, 2020. DOI: 10.27352/d.cnki.gylgu.2020.000924.

[12] BROWN C I. Renewable energy systems for the Australian Antarctic stations [D]. Tasmania, AUS: University of Tasmania, 1998.

[13] OBARA S, MORIZANE Y, MOREL J. A study of small-scale energy networks of the Japanese Syowa Base in Antarctica by distributed engine generators [J]. Applied Energy, 2013, 111: 113-128.

[14] OBARA S, HAMANAKA R, EL-SAYED G A. Design methods for microgrids to address seasonal energy availability – A case study of proposed Showa Antarctic Station retrofits [J]. Applied Energy, 2019, 236: 711-727.

[15] 吕冬翔, 李钏, 王哲超, 等. 南极泰山站多能互补微电网系统研究及实证[J]. 极地研究, 2020, 32(2): 184-194. DOI: 10.13679/j.jdyj.20190036.

[16] 光伏发电已成为南极主要的稳定能源来源[EB/OL]. (2020-11-16)[2024-07-01]. http://www.solarpwr.cn/m-52-53437-1.html.

[17] 席晓琴. 南极中山站风光互补供电系统设计[D]. 太原: 太原理工大学, 2018.

[18] 席晓琴, 窦银科, 窦若凡, 等. 南极中山站风光互补系统控制策略的研究与仿真[J]. 科学技术与工程, 2017, 17(28): 72-79.

[19] 清洁能源技术让南极科考更“清洁”[C]//中国农机工业协会风能设备分会. 中小型风能设备与应用. 2015年第1期. 2015: 1.

[20] WANG K-S, WU D, ZHENG C-W, et al. A detail investigation on the Antarctic wind energy [J]. China Ocean Engineering, 2023, 37(4): 698-708.

[21] 任飞. 南极地区建筑设计生态策略研究[D]. 北京: 清华大学, 2005.

[22] 华君, 张翼. 中国南极科学考察站建筑节能现状及可行性研究[J]. 建筑节能, 2007(5): 15-17.

[23] 胡健, WU S, 邓西里, 等. 美国能源可持续利用现状及对中国的启示[J]. 科技导报, 2024, 42(4): 6-20.

[24] BABINEC S, BARING-GOULD I, BENDER A N, et al. Technoeconomic analysis of renewable energy generation at the South Pole [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2024, 193: 114274.

[25] 薛静. 以清洁能源为内核构建现代能源系统[J]. 国家电网, 2016(8): 72-75.


本文刊载于《自然杂志》2024年第5期

DOI:10.3969/j.issn.0253-9608.2024.05.003
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