湖泊和水库的蒸发如何为一个国家提供可持续的能源

当我们想到可再生能源这可以帮助取代改变气候的碳基燃料的燃烧，太阳能电池板和风力涡轮机涌上心头。但哥伦比亚大学的科学家们已经发现了另一种迄今尚未开发的能源，可能也有同样的前景，那就是从美国的湖泊和水库中不断蒸发的大量水。

他们说，这种自然现象可以通过包含覆盖着细菌孢子的薄片的设备来实现，这些细菌孢子会随着湿度的变化而收缩和扩张——就像肌肉的收缩一样。他们说，这种机械的“肌肉”动作反过来可以用来产生大量的电能。

在最近出版的文章在发表于《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的一篇文章中，研究人员估计，美国内陆水体至少具有产生3.25亿瓦电力的理论潜力，这相当于2015年美国全国用电量的近70%。

“我们的人造肌肉吸收从湖面蒸发的水，”化学工程师、研究的主要作者艾哈迈德-哈姆迪·恰武什奥卢通过电子邮件说。当它吸收水分时，肌肉就会膨胀膨胀。当肌肉吸收了所有可能的水分，肌肉上方的百叶窗打开，这样水分就可以从肌肉蒸发到空气中。当水离开肌肉时，肌肉收缩，拉动涡轮机产生能量，就像划船机上的赛艇手拉动涡轮机一样。”

在实践中，这样的功率可能很难实现，因为正如文章所指出的那样，它需要完全覆盖几乎所有家庭湖泊和水库的整个表面。但是，即使是一个小得多的蒸发发动机的部署——比如说，覆盖10%的水面——仍然可以为国家的电力供应增加相当大的容量。

“如果我们用最有效的蒸发发动机来研究十大湖泊和水库的10%，”Cavusoglu说，他现在是该研究所的副主任学术风险交流是合作伙伴关系的主管创新加速器基础，“我们可以利用大约560平方英里(1450平方公里)的地区的平均功率为71亿瓦，这比2013年美国公用事业太阳能部门的功率还要大。”

这还只是他们使用湖泊和水库的情况。可以想象，蒸发能也可以从其他来源获得，从河流、海岸线到被灌溉滋润的农田。

“水在环境中无处不在，”他说Ozgur领域他是哥伦比亚大学生物科学和物理学副教授，也是这项研究的共同作者之一。(沙欣和他的同事率先使用孢子和蒸发来制造微型引擎，详见本文2015年《自然通讯》文章.）

研究人员指出，利用蒸发作为一种可再生能源可能还有其他优势。蒸发是由太阳能驱动的，太阳能被水体吸收并储存起来，就像一个巨大的电池，然后逐渐释放出来。这意味着蒸发发动机可以比太阳能电池板或风力涡轮机以更少的波动产生电力，风力涡轮机的产量在风力减弱或太阳进入云层后就会下降。

此外，蒸发机可以改变湖泊、水库或其他水源释放的水蒸气量，为美国缺水地区提供帮助。发动机还可以控制电力输出。

Cavusoglu说:“我们意识到的一个有趣的特性是，通过减缓蒸发，我们可以提高水的温度，有效地将能量储存为热量，然后我们可以在需要时释放出来。”“根据当地的天气条件，我们可以快速释放这些储存的能量，作为额外的蒸发，以适应电力需求的波动。这与水力发电大坝通过改变通过大坝的水流速度来改变其功率输出类似。”

到目前为止，蒸发发动机还只是在实验室中进行了测试，在这项技术能够扩大到能够成为主要的电力来源之前，还有很多研究和开发工作要做。

Cavusoglu说:“首先，需要制造出更好更大的材料，能够有效地利用蒸发产生的能量。”“目前，沙欣实验室正在研究如何制造更好的孢子材料，并建造更大的发动机原型。我们希望在未来几年内看到更大的原型机被展示。”