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。
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
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
2.1 南极能源消耗结构仍以燃油为主
图1 不同时期南极考察站数量
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
2.3 国内外主要南极科考站清洁能源应用现状
(1)比利时伊丽莎白站
表3 南极清洁能源应用案例
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)
图4 巴西费拉兹站(图片来源:https://www.gov.cn/xinwen/2020-02/10/W020220405385408478905.jpg)
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
图6 莫森站的风力发电系统[11]
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)
图8 我国南极科考站建设的清洁能源系统[16]
图9 南极中山站的风力发电机[19]
3.1 风能利用存在的问题
参考文献
本文刊载于《自然杂志》2024年第5期
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