海底泥巴能发电——我国海泥发电技术研究取得重要突破

来源:中国海洋报   发布时间:2016-08-30 14:59:00 

    海底沉积层是一个巨大的能源库,取之不尽,用之不竭。处在沉积层的泥巴看似不起眼,却有着大用途。它们作为新兴的能源材料,可以用来发电,为人类探索开发深海资源提供了一把钥匙。

  作为国家海洋局海洋可再生能源专项资金项目,由中国海洋大学材料科学与工程研究院教授付玉彬牵头的“海泥电池能源供电关键共性技术及驱动监测仪器实海验证研究”项目在海泥发电技术研究领域取得重要突破,并填补了国内空白。记者了解到,目前付玉彬团队已完成了国内最大海泥发电装备海底布放、驱动监测仪器长期运行和装备回收,研究成果受到了业内专家的一致好评。

■本报记者 王晶

 

深海仪器用电难题亟待破解

  进军深远海已成为当前海洋事业发展的必然趋势。在深海开发的过程中,许多小型监测仪器需要布放在深远海,长期监测海洋环境参数变化,这些深海仪器要在大洋工作数年或者更长的时间,因此仪器电源使用时间的长短关系到深海实验项目的成败。

  目前,科研领域主要采用可充电蓄电池、高性能电池组和电缆等方式供给实验设备电源,但这些难以满足深海水下长期探测的需要,已成为限制海洋探测和监测技术发展的主要瓶颈之一。我国迫切需要研究一种新型能源材料技术,以满足海洋开发和监测的需求。

 

率先提出海底泥电池概念

  “如果利用海泥发电,就能解决上述难题。”付玉彬说,“这类电池造价较低,可用于深远海水下仪器的电源补给、海洋环境污染治理、海泥微生物菌种筛选等诸多方面。该领域研究符合国际和国内低碳、环保和新型能源材料技术的发展趋势,具有重要的研究意义和应用前景。”

  付玉彬告诉记者,传统的海洋能源是以水体为主要能量来源,例如波浪能、潮流能、温差能等。海底沉积层也是一个巨大的能源宝库,他们研究的项目在国际上率先提出了海底沉积物可再生能源新概念——海底沉积层燃料电池。

  海底沉积层燃料电池(简称“海泥电池”)是指以海底沉积层为电极电解质发电的技术。“我们根据电池负极材料不同,开发了海泥生物燃料电池和泥镁燃料电池。其中,海泥生物燃料电池以石墨材料为负极或阳极,用于收集海泥细菌产生的电子。泥镁燃料电池以金属镁材料为负极或阳极,以释出电子。这两种新技术均是利用海底沉积层作为电解质传递能量,是新型的海洋能源材料,可以为海底仪器提供电源。”付玉彬说。

  该项目要反复开展海泥电池能源补给关键共性技术和演示验证研究,包括电池结构模块优化设计和验证、电池升压模块和储能模块研究、监测仪器和不同模块组装和电路设计、系统水密性设计、在实验室条件和实海条件下驱动监测仪器的平稳运行等。

 

走出困境 成功实现持续产电

  8月的青岛,在烈日炎炎的胶州湾海面,温度高达40℃。付玉彬和他的团队顶着酷暑高温,穿着厚厚的防水服,反复进行海上试验。

  自2011年立项以来,项目组克服了经费不足、时间紧张、海底条件复杂等重重困难,排除了海底底栖动物和沉积蛤蜊壳层影响等技术障碍,在胶州湾成功实现海泥发电装备的布放并持续产电。

  2011年至2014年,经过了小型、中型和大型多代海泥发电装备结构优化设计、升压和储能器件设计、实海布放和施工设计等关键技术研究,项目组成功设计了抗海流冲刷、抗倒伏、抗沉降、耐腐蚀和水密性良好的海泥电池大型装备。该装备直径2米、高1.6米,产电能力强劲。

  海泥

  生物燃料电池和泥镁燃料电池两类

  海泥电池装备输出电压分别

  为5伏、12伏,输出功率均达到瓦级,可以满足一般海洋监测仪器的电压和用电需求。山东省海洋环境监测技术重点实验室海上现场测试表明,海泥电池已经驱动海洋温深仪、海洋水温自动记录仪、温盐深仪等监测仪器长期运行10个月以上。目前,这两类海泥电池装备继续在海上驱动监测仪器正常运行。

  付玉彬表示,经过研究,项目组实现了海泥电池结构的系列化设计,设计了两个系列的海泥电池装备7套,加工出适合于海泥电池使用的升压和储能器,并根据实海施工要求,设计加工了模块化的海泥电池,实现了海上组装、海底布放、监测仪器运行和装备回收。

  “胶州湾实海验证结果表明,海泥电池可以作为监测仪器的长期电源供给,已经驱动海洋监测仪器温深仪,温盐深仪海上连续运行16个月以上。我们的项目突破了海泥电池供电的关键共性技术,并实现了海底长期运行的验证。这将为海底仪器电源供给奠定共性技术基础,应用前景广阔。”付玉彬说。

  付玉彬告诉记者,项目研究取得的突破得益于中国海洋大学多学科、多平台的支撑。“在海泥电池研发过程中,正是这种不同专业的协作和跨学科交叉,使得我们在该领域取得了重要进展,也为下一步海泥电池的工程化和产业化发展奠定了基础。”▲海上布放海泥电池现场测试海泥电池

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