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利用可再生能源加速珊瑚礁生长以应对海岸线侵蚀

Vicor 分比式电源架构利用一个 PRM™ 升降压稳压器以及一个 VTM™ 来支持电解。

Coral reef with fish image

Yucatán 半岛外海岸外是中美洲珊瑚礁,与所有的珊瑚礁一样,它是地球上生物种类最多的生态系统之一。然而,全球气温上升正在影响着海洋生物,就像影响陆地生物一样。随着海洋变暖,水中的氧气水平下降,海水酸化加剧,像中美洲珊瑚礁这样的珊瑚礁正在经历一场被称为"白色综合症"致命的健康危机,这种病可在 40 天内杀死珊瑚。

但这种病的影响并不限于珊瑚本身,或那些依赖珊瑚礁的海洋生物们。它们甚至影响着海洋。

珊瑚礁是强大海浪与沿海城市建筑的海滩之间的屏障。如果没有珊瑚礁阻碍潮汐的持续能量,海浪会全力冲向海岸并迅速侵蚀那些受人喜爱的海滩海岸线(图 1)。

Beach erosion image

图 1:在一些地区,海滩每半年就会后退 1 米。

但人类已经发现一种方法帮助重建那些垂死珊瑚礁,以尽力保护这些海滩的遗迹。总部设在英国的 CCell Renewables 公司在全球范围内致力于阻止  甚至扭转海岸侵蚀,该公司制定了一项策略,利用一种叫做电解的过程,在水下的钢结构上加速珊瑚的生长。

如何种植你自己的珊瑚礁

CCell 在 Cancún 和位于 Yucatán 北部海岸的 Telchac 开展了多个月的试点项目。该珊瑚礁项目旨在模仿珊瑚礁的自然生长条件,而珊瑚礁本身需要数百年的时间才能达到成熟。

有了 CCell 的人工珊瑚礁结构,这个过程可以在短短36个月内完成。

"这里最关键的是,你不能把这些珊瑚放在普通的沙子上,它们会沉到沙子里然后消失,"CCell 的首席执行官 Will Bateman 博士说。"我们正在做的是提供一个像骨架的东西,它们可以被放在上面。"

人工礁的基础是一系列 2.2 米长的钢制半隧道笼状结构(图2)。这些结构由精确控制的 1.2V 至 6V 的电流通电,这些电流通过一个小型金属阳极。在这个系统中,阴极本身就是礁石结构本身,增加周围水的 pH 值,使盐分溶解在笼子的钢表面。

Artificial reef structures submerged along coastline to preserve beaches image

图 2:人工礁石结构沿 Telchac 海岸线被淹没,阻碍波浪能并保护海滩。

阳极的低电压产生的氧气与阴极的可溶性效应相结合,形成文石(碳酸钙)和水镁石(氢氧化镁)岩石,附着并密封笼子,保护它们不受腐蚀(图 3)。

这整个过程取决于远程管理阳极和阴极之间的精确电压控制。在一个月内,结构上会形成一个 3-5 毫米的岩石层。

如果施加的电压不足,岩石层会变得松软,不适合孵化出的珊瑚。你可以想象在这种环境下,过多的电力会造成什么后果。

但即使岩石成功地与钢笼结合,使潜水员可以用手放置当地的珊瑚虫,这项没有完成的工作。CCell 的电解过程必须继续进行,以使附着的珊瑚以 3-5 倍的速度加速生长,从而在三年内形成成熟的珊瑚礁。

Artificial reef structure image

图 3:提供给人工礁结构的电流使岩石形成,以保护钢铁不受腐蚀,并为珊瑚虫提供安全的附着。

贝特曼说:"我们最不想做的事情就是在这个过程中继续生长岩石,因为我们最终会埋葬可怜的小珊瑚虫。”

CCell 的团队必须学会解释水中的环境条件以确定何时需要减少 —— 甚至完全停止 —— 电力输入,以减缓岩石的膨胀并最大限度地促进珊瑚生长。

为人造珊瑚礁提供动力

CCell 电解过程的电力是由多种来源产生的。其中一些来自方便的可再生资源,由 CCell 自己的波浪能转换器提供,它为一个带桨的发电液压系统提供动力。根据波浪条件,这个系统可以产生 35V 到 70V 之间的电压,然后由电解系统本身进行转换、控制和监测。

如 Telchac 这样较大的飞行器,它从太阳能获得补充的电力。像 Cancún 这样较小的飞行器,由于只有几百瓦电力可用,无法获得足够的可再生能源,只能从其他途径获得电力。

撇开来源不谈,收集的电力必须传输到试点珊瑚礁地点的电解系统。这是通过供电网络(PDN)实现的,该网络由一个前端转换稳压阶段和一个下游负载点(PoL)稳压阶段组成,通过电缆将电力输送到电解系统。

但是,如前所述,输送到系统的电量必须得到精细的控制。为了保持每段礁石所需的 10A 峰值电流和 50W 功率,CCell 利用 Vicor 的 分比式电源架构,该架构集成了预稳压模块(PRM)升降压稳压器和 变压模块(VTM)电流倍增器,具有快速瞬态响应(图 4)。PRM 输入未稳压电压并进行稳压输出,用于驱动 VTM。

FPA utilizes a PRM buck-boost voltage regulator and a VTM to send power to CCell's electrolysis system image

图 4:Vicor 的分比式电源架构(FPA)利用一个 PRM 升降压稳压器和一个 VTM 向 CCell 的电解系统传输电能。

"VTM 也可以说是一个电流倍增器,"Vicor 的现场应用工程师 Philip Simpson 说。"VTM 的作用实际上是一个有效的 DC/DC 转换器。

"从概念上讲,它们是一个直流到直流的变压器,我们称之为 K 因子,它相当于变压器类型应用中的匝数比,"他继续说。"PRM 和 VTM 的组合使你能以一种非常有效的方式获取相当高的直流电压,并在相对较高的电流下将其转换为相当低电压的直流。"

"CCell 使用的 PRM 和 VTM 的组合使效率远远超过 90%,"Simpson 解释说。"它充当了一个理想的变压器"。

在 Cancún,目前沿着 120 米的珊瑚礁部署了 50 个这样的控制单元。

逆转全球变暖影响的力量

到目前为止,结果是振奋人心的,在测试地点的波浪衰减预计将在明年提高至 30%。在这种背景下,虽然全球变暖导致全球波浪能量每年增加 0.41%,但只要减少 5% 到 8% 的波浪能量,就能将近岸的波浪气候恢复到接近二十年前的水平。

CCell 人工珊瑚礁的形状和多孔结构可以阻止较大的海浪撞击海岸,但也可以让较小的海浪在海滩上沉积沙子,并重建失去的东西。

CCell 人工珊瑚礁的形状和多孔结构可以阻止较大的海浪撞击海岸,但也可以让较小的海浪在海滩上沉积沙子,并重建失去的东西。

目前计划沿着 Yucatán 海岸将人工礁再扩展 1 公里。

然而,正如海岸侵蚀不是一个地理区域所特有的现象一样,CCell 的目标也不仅仅局限于墨西哥海岸。该公司一直在以色列、马尔代夫和其他地方研究人工礁石结构,这些都是为了阻止 —— 并希望逆转 —— 地球上一半以上的海岸线发生的侵蚀。

CCell 的未来目标包括与康奈尔大学建立潜在的合作关系,在珊瑚礁结构上实施声学设计,模拟活珊瑚礁的声音,以帮助吸引海洋生物进入项目现场。

本文最初由 Embedded Computing Design 发表。

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