水伏發(fā)電站的規(guī)劃建設及前景展望

頡 建 軍

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 611130）

0 前 言

利用發(fā)電動力裝置將水能、石化燃料（煤、油、天然氣）的熱能、核能以及太陽能、風能、地熱能、海洋能等轉換為電能的生產過程稱為發(fā)電。目前，中國的發(fā)電方式有水力發(fā)電、火力發(fā)電、核電、風電、太陽能發(fā)電、地熱發(fā)電，其中最主要的發(fā)電方式為火力發(fā)電和水力發(fā)電。截至2022年底，中國能源結構中各種發(fā)電方式所占比例大致為：火力發(fā)電66.5%、水力發(fā)電15.3%、風力發(fā)電8.6%、光伏發(fā)電4.8%、核能發(fā)電4.7%、其他0.1%。

當前世界能源結構仍然是以石油、天然氣和煤炭三大傳統(tǒng)能源為主，以核能、風能、生物質能等清潔能源為輔，并大力開發(fā)新能源。石化能源在較長時期內仍然是人類生存和發(fā)展的能源基礎，但地球上石化能源面臨著枯竭危機。同時，隨著大氣溫室效應及其導致的氣候變化，出于可持續(xù)發(fā)展的考慮，世界各國都先后啟動了“碳達峰、碳中和”等一系列的碳排放規(guī)劃，用于控制CO2排放。未來，石化能源會被逐漸淘汰，而非石化能源、清潔能源和可再生能源將是未來能源領域的主要發(fā)展方向。

目前，在國際上新能源的開發(fā)利用引人矚目，太陽能、風能、地熱能、海洋能、生物質能等可再生能源的研發(fā)迅速展開，到本世紀中期，人類有望進入“新能源時代”。隨著人類對清潔能源的需求加大，水力發(fā)電、風力發(fā)電、光伏發(fā)電已發(fā)展成為能源供給的主流，但是受到建設地域與環(huán)境條件等因素影響，目前傳統(tǒng)的清潔能源難以滿足巨大的能源消耗需求。因此，探索新的清潔能源已成為當務之急。

近年來，國際上一系列研究顯示：低維碳材料與水相互作用可以將水的機械能和環(huán)境熱能直接轉化為電能。類比于“光伏效應”（Photovoltaic Effect），這類通過材料與水作用直接將水吸納的能量轉化為電能的現象被稱為“水伏效應”（Hydrovoltaic Effect）［1］。水伏效應是基于材料界面與水相互作用而生電的多物理場耦合效應，利用該效應可以從雨滴、波浪、水蒸發(fā)和大氣濕氣等地球水循環(huán)過程中捕獲能量產生電能，為開發(fā)清潔能源提供了一種新的途徑。

水在地球表面有豐富的儲量，而且是極易流動和蒸發(fā)的液體，水存儲的巨大能量通過流動和蒸發(fā)等形式進行釋放?！八l(fā)電”（Hydrovoltaic Power Generation）就是基于“水伏效應”理論提出的新的發(fā)電方式。利用水伏發(fā)電裝置，可以將水能直接轉化為電能。這一發(fā)電機理適應性極寬，不受地域條件限制，只要有太陽光和水即可實現直接發(fā)電。

“水伏發(fā)電”是一種納米結構的發(fā)電，水的各種流動、蒸發(fā)會直接產生電能，利用這一機理可以制備各類大型、小型、柔性的“水伏發(fā)電”裝置，即“水伏發(fā)電機”，利用“水伏效應”原理可以建設大型的水伏發(fā)電場，即水伏發(fā)電站。當前，世界范圍內對于水能的開發(fā)主要集中于水力發(fā)電領域，而對于蘊藏在降雨、水流動、水蒸發(fā)和水汽循環(huán)中的水能則缺乏必要的捕獲手段，水伏效應為這類水能的捕獲提供了理論和技術支持。與光伏發(fā)電相比，由于水蒸發(fā)和大氣中水汽循環(huán)的自發(fā)性、連續(xù)性以及受地理環(huán)境約束小等特性，水伏發(fā)電能夠長時間、持續(xù)性地產電，水伏發(fā)電在理論上具有比光伏發(fā)電更大的發(fā)展空間。

1 水伏發(fā)電的形式及研究現狀

1.1 水伏效應簡述

人們早在十九世紀就發(fā)現了水在壓力差作用下通過狹小的腔道或縫隙流動會產生流動電勢（Streaming Potential）等 動電 效 應（Electrokinetic Effect）現象。動電效應的科學原理是基于熱力學和靜電學的結合，通過流-固耦合剪切固-液界面處的雙電層而產生電信號。近年來，一個里程碑式的重要發(fā)現是：以碳納米管和石墨烯為代表的低維碳材料在與水相互作用時，表現出一系列新的產電效應（如波動產電、射流產電、液滴產電、蒸發(fā)產電、濕度產電等），類比于光伏、壓電等能量轉換效應，這類通過納米結構材料與水的流動、波動、滴落和蒸發(fā)的相互作用而直接將水能轉化為電能的能量轉換效應被稱為“水伏效應”。簡而言之，“水伏效應”就是通過材料與水作用直接轉化水能為電能。水伏效應為從自然水循環(huán)過程中捕獲電能提供了新的技術途徑，提升了水能利用的上限。

水伏效應開拓了固-液界面多場耦合研究新領域，為發(fā)展水伏能源技術創(chuàng)造了條件，也催生了“水伏學”（Hydrovoltaics）［1］。水伏學是“一系列從水中捕獲電能的新方式”，水伏技術已經從誕生步入發(fā)展軌道。目前，受轉化材料的限制，“水伏發(fā)電”器件只能是低功率密度的小型發(fā)電機。但隨著新材料技術的發(fā)展，如石墨烯的應用，碳納米材料可以在水能中捕獲高達伏級的電能，使流-固-電耦合性能提升，蘊含巨大潛力。經過近十年的發(fā)展，水伏發(fā)電器件的材料已經從最初的碳納米管、石墨烯拓展到眾多的材料體系中，最新研究中采用較多的材料有：碳材料、聚合物材料和無機半導體材料。

1.2 水伏發(fā)電機理

目前用以解釋水伏效應機理的有經典動電理論（雙電層、流動電勢）、雙電層邊界運動理論（拖曳勢、波動勢）、經典電磁學（水表界面接觸、摩擦生電）以及水汽吸附理論等，而流動電勢理論和納米碳材料的水汽吸附理論則是兩種較為普遍的水伏效應產電機理［2］。

1.2.1 雙電層模型

雙電層模型是水伏效應的理論基礎，其基本原理為：當帶有電荷的固體表面與液體發(fā)生接觸時，在液體與固體界面處會由于固體表面電荷或化學勢的作用，液體中的某種帶電荷組分會被選擇性吸附在固體表面形成緊密吸附層，溶液中與被吸附離子電荷相反的離子會因受到庫侖力的作用也被吸引到固-液界面附近，因此在界面處形成了由兩層異種電荷離子富集的區(qū)域，該區(qū)域即被稱為“雙電層”（EDL）。在外力作用下，離子溶液通過表面帶電的固體微通道，由于通道具有離子選擇性，使正負離子分別在通道出入口發(fā)生富集，因此在流動方向上產生電勢差。雙電層模型和水伏效應產電過程示意見圖1～2。

圖1 雙電層模型

圖2 水伏效應產電機理

1.2.2 微/納通道中的流動電勢理論

將介質中的微孔隙通道看作為水流動的通路，水蒸發(fā)過程中產生的水汽運動被看作水的定向流動，可以簡單地認為，水汽流動經過大量的表面帶負電的微通道，致使流動電勢的產生，水的不斷蒸發(fā)引起微通道中持續(xù)的水流動，最終保證了電能的持續(xù)輸出，其原理和產電機理示意見圖3～4。

圖3 流動電勢原理

圖4 微孔道中流動電勢產電機理

1.2.3 納米碳材料的水汽吸附理論

氧化石墨烯（GO）等功能材料的濕氣吸附產生電流源于濕氣中質子的定向移動形成內建電勢誘導材料中載流子的移動。借助直流電將氧化石墨烯進行不完全還原，制備出含氧官能團梯度分布的還原氧化石墨烯（rGO），當鍍有金屬電極的還原氧化石墨烯器件（g-GOF）置于高濕度條件下，由于親水性含氧官能團的存在，濕氣中的水分子將會被吸附到氧化石墨烯薄膜（GOF）表面。在水環(huán)境中，羧基、羥基等含氧官能團會發(fā)生解離并釋放出氫質子，由于材料本身含氧官能團的梯度分布致使吸附水汽后的氧化石墨烯器件（g-GOF）中的氫質子形成定向移動而產生電勢差，在這種內建電勢的作用下，功能材料中的電子定向移動輸出電能。納米碳材料吸附環(huán)境中濕氣產電機理示意見圖5。

圖5 納米碳材料吸附濕氣產電機理

1.3 水伏發(fā)電的形式

目前，水伏發(fā)電常見的主要技術途徑有3種，即：水滴/水流發(fā)電、水蒸發(fā)發(fā)電和空氣中濕氣發(fā)電。

1.3.1 水滴/水流發(fā)電

該發(fā)電方式是將水滴/水流注入電荷納米材料，利用液體在納米材料表面的流動產生電流。其所采用的發(fā)電原理是“雙電層邊界運動理論”，利用水滴/水流和與帶電荷納米材料表面形成的拖曳勢、流動勢、波動勢，可以研制水滴/水流式水伏發(fā)電機或水伏發(fā)電單元。其中水流式水伏發(fā)電和波動式水伏發(fā)電可以適用于建設大規(guī)模集成式水伏發(fā)電站。目前，在實驗室采用水滴發(fā)電產生的都是脈沖電信號，持續(xù)功率依然很低。

1.3.2 水蒸發(fā)發(fā)電

該發(fā)電方式是水蒸發(fā)產生的水汽機械式通過納米材料或其他孔隙結構材料的微/納孔道，通過水蒸發(fā)誘導產生電流。所采用的發(fā)電原理是“微/納通道中的流動電勢理論”，利用該發(fā)電原理可以制成蒸發(fā)式水伏發(fā)電機。水蒸發(fā)誘導發(fā)電能夠在大面積大規(guī)模集成發(fā)電方面得到更廣泛的應用。目前，在實驗室利用設計的水蒸發(fā)發(fā)電裝置可以實現持續(xù)產電，但缺點是產電效率很低，還達不到工業(yè)化應用的程度。

1.3.3 濕氣發(fā)電

濕氣發(fā)電（Hygroelectric Technalogy）是利用水蒸發(fā)后在空氣中形成的水汽作為能量源，利用納米碳材料或生物材料作為吸濕材料將空氣中水汽分子蘊含的能量直接轉化為電能。其所采用的發(fā)電原理是“水汽吸附理論”，利用該原理可以研制成濕氣式水伏發(fā)電機。目前，濕氣發(fā)電是水伏技術中發(fā)展最快、潛力最大的一種水能捕獲技術，當前以生物材料為吸濕材料制備的濕氣發(fā)電裝置能夠持續(xù)輸出功率，克服了碳基、重金屬、電解質等材料昂貴、器件構筑復雜、持續(xù)電能輸出時間短（通常t≤50 s）等限制因素?，F有研究表明，當空氣濕度達到45%即可實現濕氣發(fā)電。受益于地球大氣環(huán)境中無窮無盡、零污染的水汽資源，可持續(xù)的濕氣發(fā)電技術從理論上來講幾乎可以在所有環(huán)境中發(fā)電。濕氣式水伏發(fā)電能夠適用于大面積大規(guī)模集成發(fā)電，但目前的可持續(xù)濕氣發(fā)電技術還存在輸出功率密度低、能量轉換效率差、發(fā)電器件制備過程復雜等問題。

將多個水伏發(fā)電裝置或水伏發(fā)電單元串聯(lián)或并聯(lián)起來組成集成式的水伏發(fā)電機，就可以持續(xù)驅動多種商用器件，從而實現工業(yè)化應用。

1.4 水伏發(fā)電的研究現狀

水伏效應的理論與技術研究目前還處于發(fā)展初期，主要限于不同材料器件形式的嘗試和各種現象的揭示，需要向深度和廣度發(fā)展，以便顯著提高持續(xù)發(fā)電功率和效率。在理論研究上看，水伏效應中固-液-氣界面上的力-電-熱耦合機理研究極具挑戰(zhàn)，是制約水伏效應能量轉化效率提升的瓶頸。在發(fā)電器件研究方面，目前的水伏發(fā)電器件研究多聚焦于通過納米結構設計或表面功能化處理來提升產電性能，而環(huán)境中緩慢的水分子蒸發(fā)速度（驅動力小）是限制水伏器件產電效率的瓶頸。迄今為止，研究人員挖掘并設計了諸多的材料結構以研究水伏效應，以期將水體中儲存的巨大能量直接轉化為電能。但總體來說，功率密度低和轉化效率低仍是制約水伏效應工業(yè)化應用的主要問題?，F有報道的水伏發(fā)電器件，電流密度僅僅在數十微安級，輸出功率一般介于亞微瓦到毫瓦量級，功率密度一般小于10 W/m2，遠遠不能與現有的電力設備相提并論。如能突破發(fā)電功率這一瓶頸，水伏能量捕獲將會進入工業(yè)化生產階段，水伏發(fā)電站的建設將成為可能。

近年來，南京航空航天大學科研團隊［1，3］在石墨烯等二維材料理論和實驗研究的基礎上，對石墨烯等二維覆層體系的流-固-電耦合開展了系統(tǒng)研究，發(fā)現液滴在涂覆單層石墨烯的固體表面運動會產生與液滴運動速度成正比的拖曳液滴發(fā)電的“曳勢”、液面沿涂覆石墨烯的固體表面上下波動產生與波動速度成正比的波動發(fā)電的“波動勢”兩種新的動電效應；并總結出雙電層邊界運動發(fā)電的新的動電效應理論；實現了基于“曳勢”的書畫傳感、云霧雨滴能量收集等新技術，并與華中科技大學合作發(fā)現廉價的碳黑等納米結構材料，可通過大氣環(huán)境下無所不在的水的自然蒸發(fā)持續(xù)產生伏級的電能。蒸發(fā)發(fā)電帶來的最大優(yōu)勢是其不需要任何機械輸入。在環(huán)境蒸發(fā)條件下，一厘米大小的炭黑片可穩(wěn)定輸出伏級電壓，數平方厘米的薄膜產生的電能已經能夠直接驅動液晶顯示器。復旦大學研究團隊還發(fā)現：利用碳納米管纖維可在血流中產生準伏級電信號；進一步將此類水伏器件與柔性電路、生物傳感器等結合，有可能構造出全新的、自驅動的植入式生理監(jiān)測裝置。水伏效應器件與光電等微納傳感器件結合還可以構成自供能、自驅動傳感系統(tǒng)等?，F有的電子器件大多在固體結構或固體-固體界面工作，水伏系統(tǒng)在原理上工作于固-液或固-液-氣界面，是對傳統(tǒng)電子器件工作模式的發(fā)展，具有獨特的發(fā)展空間。

相信在不久的將來，隨著水伏發(fā)電技術研究不斷深入和技術成型，利用微納高性能材料在水中捕獲能量將成為常態(tài)，水伏發(fā)電機的設計與制造技術也將日臻完善，等到水伏發(fā)電站的建設條件成熟后，水伏發(fā)電將會進入商用階段。

2 水伏發(fā)電站的建設構想

2.1 建設的可行性分析

（1）必要性。水伏發(fā)電可以充分利用地球上水體蘊含的巨大能量，使水能的利用達到最大化，并與自然條件有機融合，是一種對環(huán)境友好的綠色清潔能源。水伏發(fā)電是新型的能源捕獲技術，隨著石化能源的逐步淘汰，在未來能源結構中水伏發(fā)電必將占有重要地位，因此建設水伏發(fā)電站是未來能源發(fā)展的必然需求。

（2）可行性。水伏發(fā)電在理論上已被證明可行，并在實驗室已經實現了產電。未來一旦在水伏發(fā)電裝置成套技術方面取得突破，水伏技術即可實現規(guī)?；l(fā)電。水伏發(fā)電站的建設與風力發(fā)電站、光伏發(fā)電站的建設具有類似性，所不同的只是產電方式和發(fā)電陣列布置、發(fā)電裝置結構形式，而匯流箱、逆變器、箱變、集電線路以及升壓變電設施的設計布置均是相通的，鑒于我國在風電、光伏建設方面具有十分成熟的技術，其經驗在水伏發(fā)電站的設計、建造中均可以借鑒運用。因此，水伏發(fā)電站的建設在理論上、技術上是完全合理可行的。

（3）經濟性。與風電機組、太陽能光伏電池相比，水伏發(fā)電裝置具有重量輕、安裝省力、便于施工且成本較低等優(yōu)勢。如果未來一旦實現水伏發(fā)電裝置的工廠化量產，水伏發(fā)電機的制造成本將會大大低于風機和光伏電池板的成本。此外，水伏發(fā)電是持續(xù)性發(fā)電，不像風電、光伏發(fā)電具有間歇性和時段性。因此，建設同等發(fā)電裝機容量的水伏發(fā)電站比風力發(fā)電站、光伏發(fā)電站更加經濟，效益更好。

2.2 水伏發(fā)電站的技術構想

2.2.1 電站選址應考慮的因素

水伏發(fā)電站的建設選址應考慮的主要因素有：降雨、徑流及水汽條件（陸地），海面浪涌條件（海洋），水面蒸發(fā)條件（水庫或湖泊）；周圍環(huán)境條件；生態(tài)環(huán)境條件；電能接入消納條件；政府規(guī)劃和水伏電站建設條件等。

2.2.2 電站的組成系統(tǒng)

水伏發(fā)電站與風力發(fā)電站、光伏發(fā)電站類似，圖6描述了水伏發(fā)電站的組成系統(tǒng)。從圖6可以看出，水伏發(fā)電有望形成全鏈條式水伏能源系統(tǒng)，在地球水循環(huán)的各個環(huán)節(jié)均可采集水能進行發(fā)電。

圖6 水伏發(fā)電站的組成系統(tǒng)

2.2.3 電站的主要構筑物及設施設備

（1）水伏發(fā)電場：用來布置水伏發(fā)電機組陣列的場地或場址，可以選用水面/海面、陸地或河流。

（2）水伏發(fā)電機組陣列：由n個水伏發(fā)電裝置或水伏發(fā)電機集合在一起并按照一定的布置方式構成的發(fā)電方陣，每一個水伏發(fā)電場根據設計的發(fā)電規(guī)模由n個水伏發(fā)電機組陣列組成。水伏發(fā)電機組陣列的主要構筑物包括機組或組串的支撐架基礎，主要設施設備包括機組和組串以及相應的支撐架、安裝固定件。

（3）匯流設施：包括電流引線及匯流箱。電流引線用于將每個水伏發(fā)電機發(fā)出的直流電接引至匯流箱。匯流箱用于匯集每個發(fā)電組串產生的電流。

（4）逆變器：用于將每個水伏發(fā)電機組陣列發(fā)出的直流電轉換成交流電。

（5）箱式變壓器：用于將逆變器轉換后的交流電進行升壓，其土建構筑物包括箱式變壓器基礎。

（6）集電線路：用于將箱式變壓器升壓后的電流輸送至升壓站，集電線路通常有架空線路和地埋電纜兩種布置形式。

（7）升壓站：用于布置各類升壓變電及配電裝置。其主要設施包括：各類設備設施基礎、房屋建筑（生產及生活用房）、電纜溝及電纜橋架、掛線架、出線塔、停車場、圍墻/圍欄、大門等。

（8）場內交通：用于檢修或維護水伏發(fā)電場各類設施設備。在水面上可采用船只、浮橋或棧橋，在陸地上可采用場內交通道路。

3 水伏發(fā)電站的發(fā)展前景

（1）自然資源豐富，開發(fā)前景廣闊。地球表面約71%的面積都被天然水體覆蓋，水體吸收了太陽輻射到達地表能量的35%，是能源含量最豐富的資源之一。無論地理位置或環(huán)境條件如何改變，地球上的天然水體都可以通過吸收熱能而自發(fā)地產生流動和蒸發(fā)。地球上水動態(tài)吸納釋放能量的年平均功率高達60萬億kW，比全球人類的年平均能量消耗功率（2016年約180億kW）高3個數量級，其中水蒸發(fā)的年平均功率達40萬億kW。

與對外部條件和環(huán)境有較大依賴性的光伏發(fā)電技術相比，水伏發(fā)電技術幾乎完全借助水的自然過程。以水伏蒸發(fā)發(fā)電為例，自然界水的蒸發(fā)無處不在，不受天氣、晝夜、空間的影響，而且可以結合風能、熱能和太陽能提高蒸發(fā)發(fā)電量，使得蒸發(fā)能利用在理論上具有比光伏發(fā)電更大的發(fā)展空間。

（2）開發(fā)形式多種多樣。水能不同于太陽能和風能，在水循環(huán)過程中可演化為蒸發(fā)能、雨滴能、流動能、落水能、波動能等多種形式。因此，可以根據不同地域的自然環(huán)境條件開發(fā)各種水能形式的水伏發(fā)電站。在廣闊的浪涌海域可以利用“波動勢”水伏發(fā)電裝置，建成海上浮筏式水伏發(fā)電站；在江河湖海等水蒸發(fā)旺盛地區(qū)可以安裝膜狀或網狀的水伏發(fā)電裝置形成蒸發(fā)式水伏發(fā)電站；當水蒸氣經過大氣輸送形成降雨時，可以利用“拖曳勢”水伏發(fā)電裝置直接收集雨滴能量，在降雨量豐沛的地區(qū)就可建成水滴式水伏發(fā)電站；大氣降雨在地面匯集過程中，可以利用“流動勢”水伏發(fā)電裝置收集流水的能量，建成水流式水伏發(fā)電站；也可以在不具備修建水電站的河流/河段上，利用河水的“流動勢”，建設水流式水伏發(fā)電站，以進一步提高河流水能的利用。當水伏發(fā)電材料采用無機半導體材料時，也可以嘗試制造成“光伏+水伏”耦合式的集成發(fā)電裝置，這樣就可以建成晴天用光伏發(fā)電、雨天用水伏發(fā)電的全天候“光伏+水伏”耦合發(fā)電站。

（3）能夠穩(wěn)定地輸出電能。水伏發(fā)電站完全依靠地球表面水體的自然循環(huán)過程發(fā)電，無論白天黑夜、春夏秋冬，地球上的水汽循環(huán)都在日復一日、年復一年的持續(xù)進行中，永遠不會停歇。因此，水伏發(fā)電站可以實現連續(xù)穩(wěn)定地輸出電能。與水電站相比，水電站的發(fā)電效率要受到河流豐水期/年、枯水期/年以及水庫蓄水量、河水來流量變化的影響，電能的輸出存在峰/谷變化。與光伏電站相比，光伏電站的發(fā)電要受到白天、黑夜以及當地氣象變化的影響，且只能在白天有陽光照射時實現發(fā)電，夜間和陰雨天無法發(fā)電，因而電能的輸出是間歇性的。

（4）可以與水電站、光伏電站相結合，形成“水電+光伏+水伏”集群化水光互補一體化發(fā)電體系。我國在大江大河上已經建成了多個水電基地，可以利用已建成水電站水庫形成的廣闊水面，建設水面光伏和水伏電站，形成“水電+光伏+水伏”集群化、互補型的綠色清潔能源基地，對進一步提升電能輸出質量具有重要的意義。

4 結論及建議

（1）水伏發(fā)電是一種良好的優(yōu)質綠色清潔能源，能夠提供穩(wěn)定的高質量電能，具有廣闊的發(fā)展前景，必將是未來新能源發(fā)展的主要方向之一。水伏發(fā)電拓寬了水能的利用渠道，可實現全鏈條式水伏能源系統(tǒng)，使水能發(fā)電不限于水力發(fā)電這一技術領域。

（2）要將水伏技術推向規(guī)模發(fā)電，水伏發(fā)電成套設備的研發(fā)是關鍵。因此，將水伏發(fā)電的實驗室成果進行技術轉化，設計和制造大規(guī)模集成水伏裝置或器件，形成商用化的水伏發(fā)電機是水伏發(fā)電站建設的前提條件，建議今后應在這方面加大研發(fā)投入和力度，以便推進水伏發(fā)電站的規(guī)劃建設盡早落地。

（3）從現在開始，對新能源的開發(fā)應增列水伏發(fā)電項目，并建議開展系統(tǒng)性的水伏發(fā)電場規(guī)劃以及擬建水伏發(fā)電場氣象數據的監(jiān)測、收集和分析工作，并開展水伏發(fā)電機安裝支撐結構形式的研究工作，為水伏發(fā)電大規(guī)模開發(fā)奠定必要的技術基礎。