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利用可再生能源加速珊瑚礁生長以應對海岸線侵蝕

Vicor 分比式電源架構利用一個 PRM™ 升降壓穩壓器以及一個 VTM™ 來支持電解。

Coral reef with fish image

Yucatán 半島外海岸外是中美洲珊瑚礁,與所有的珊瑚礁一樣,它是地球上生物種類最多的生態系統之一。 然而,全球氣溫上升正在影響著海洋生物,就像影響陸地生物一樣。 隨著海洋變暖,水中的氧氣水准下降,海水酸化加劇,像中美洲珊瑚礁這樣的珊瑚礁正在經歷一場被稱為“白色併發症”致命的健康危機,這種病可在 40 天內殺死珊瑚。

但這種病的影響並不限於珊瑚本身,或那些依賴珊瑚礁的海洋生物們。 它們甚至影響著海洋。

珊瑚礁是强大海浪與沿海城市建築的海灘之間的屏障。 如果沒有珊瑚礁阻礙潮汐的持續能量,海浪會全力沖向海岸並迅速侵蝕那些受人喜愛的海灘海岸線(圖 1)。

Beach erosion image

圖 1:在一些地區,海灘每半年就會後退 1 米。

但人類已經發現一種方法幫助重建那些垂死珊瑚礁,以盡力保護這些海灘的遺跡。 總部設在英國的 CCell Renewables 公司在全球範圍內致力於封锁甚至扭轉海岸侵蝕,該公司製定了一項策略,利用一種叫做電解的過程,在水下的鋼結構上加速珊瑚的生長。

如何種植你自己的珊瑚礁

CCell 在 Cancún 和位於 Yucatán 北部海岸的 Telchac 開展了多個月的試點項目。 該珊瑚礁項目旨在模仿珊瑚礁的自然生長條件,而珊瑚礁本身需要數百年的時間才能達到成熟。

有了 CCell 的人工珊瑚礁結構,這個過程可以在短短 36 個月內完成。

“這裡最關鍵的是,你不能把這些珊瑚放在普通的沙子上,它們會沉到沙子裏然後消失,”CCell 的首席執行官 Will Bateman 博士說。 “我們正在做的是提供一個像骨架的東西,它們可以被放在上面。”

人工礁的基礎是一系列 2.2 米長的鋼制半隧道籠狀結構(圖 2)。 這些結構由精確控制的 1.2V 至 6V 的電流通電,這些電流通過一個小型金屬陽極。 在這個系統中,陰極本身就是礁石結構本身,新增周圍水的 pH 值,使鹽分溶解在籠子的鋼表面。

Artificial reef structures submerged along coastline to preserve beaches image

圖 2:人工礁石結構沿 Telchac 海岸線被淹沒,阻礙波浪能並保護海灘。

陽極的低電壓產生的氧氣與陰極的可溶性效應相結合,形成文石(碳酸鈣)和水鎂石(氫氧化鎂)岩石,附著並密封籠子,保護它們不受腐蝕(圖 3)。

這整個過程取決於遠端系統管理陽極和陰極之間的精確電壓控制。 在一個月內,結構上會形成一個 3-5 毫米的岩石層。

如果施加的電壓不足,岩石層會變得鬆軟,不適合孵化出的珊瑚。 你可以想像在這種環境下,過多的電力會造成什麼後果。

但即使岩石成功地與鋼籠結合,使潛水夫可以用手放置當地的珊瑚蟲,這項沒有完成的工作。 CCell 的電解過程必須繼續進行,以使附著的珊瑚以 3-5 倍的速度加速生長,從而在三年內形成成熟的珊瑚礁。

Artificial reef structure image

圖 3:提供給人工礁結構的電流使岩石形成,以保護鋼鐵不受腐蝕,並為珊瑚蟲提供安全的附著。

貝特曼說:“我們最不想做的事情就是在這個過程中繼續生長岩石,因為我們最終會埋葬可憐的小珊瑚蟲。”

CCell 的團隊必須學會解釋水中的環境條件以確定何時需要减少——甚至完全停止——電力輸入,以減緩岩石的膨脹並最大限度地促進珊瑚生長。

為人造珊瑚礁提供動力

CCell 電解過程的電力是由多種來源產生的。 其中一些來自方便的可再生資源,由 CCell 自己的波浪能轉換器提供,它為一個帶槳的發電液壓系統提供動力。 根據波浪條件,這個系統可以產生 35V 到 70V 之間的電壓,然後由電解系統本身進行轉換、控制和監測。

如 Telchac 這樣較大的飛行器,它從太陽能獲得補充的電力。 像 Cancún 這樣較小的飛行器,由於只有幾百瓦電力可用,無法獲得足够的可再生能源,只能從其他途徑獲得電力。

撇開來源不談,收集的電力必須傳輸到試點珊瑚礁地點的電解系統。 這是通過供電網路(PDN)實現的,該網路由一個前端轉換穩壓階段和一個下游負載點(PoL)穩壓階段組成,通過電纜將電力輸送到電解系統。

但是,如前所述,輸送到系統的電量必須得到精細的控制。 為了保持每段礁石所需的 10A 峰值電流和 50W 功率,CCell 利用 Vicor 的 分比式電源架構,該架構集成了預穩壓模組(PRM) 升降壓穩壓器和變壓模組(VTM)電流倍增器,具有快速瞬態回應(圖 4)。 PRM 輸入未穩壓電壓並進行穩壓輸出,用於驅動 VTM。

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

圖 4:Vicor 的分比式電源架構(FPA)利用一個 PRM 升降壓穩壓器和一個 VTM 向 CCell 的電解系統傳輸電能。

“VTM 也可以說是一個電流倍增器,”Vicor 的現場應用工程師 Philip Simpson 說。 “VTM 的作用實際上是一個有效的 DC/DC 轉換器。

“從概念上講,它們是一個直流到直流的變壓器,我們稱之為 K 因數,它相當於變壓器類型應用中的匝數比,”他繼續說。 “PRM 和 VTM 的組合使你能以一種非常有效的管道獲取相當高的直流電壓,並在相對較高的電流下將其轉換為相當低電壓的直流。”

“CCell 使用的 PRM 和 VTM 的組合使效率遠遠超過 90%,”Simpson 解釋說。 “它充當了一個理想的變壓器”。

在 Cancún,現時沿著 120 米的珊瑚礁部署了 50 個這樣的控制單元。

逆轉全球變暖影響的力量

到目前為止,結果是振奮人心的,在測試地點的波浪衰减預計將在明年提高至 30%。 在這種背景下,雖然全球變暖導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,就能將近岸的波浪氣候恢復到接近二十年前的水准。

CCell 人工珊瑚礁的形狀和多孔結構可以封锁較大的海浪撞擊海岸,但也可以讓較小的海浪在海灘上沉積沙子,並重建失去的東西。

現時計畫沿著 Yucatán 海岸將人工礁再擴充 1 公里。

然而,正如海岸侵蝕不是一個地理區域所特有的現象一樣,CCell 的目標也不僅僅局限於墨西哥海岸。 該公司一直在以色列、瑪律地夫和其他地方研究人工礁石結構,這些都是為了封锁——並希望逆轉——地球上一半以上的海岸線發生的侵蝕。

CCell 的未來目標包括與康奈爾大學建立潜在的合作關係,在珊瑚礁結構上實施聲學設計,類比活珊瑚礁的聲音,以幫助吸引海洋生物進入項目現場。

本文最初由 Embedded Computing Design 發表。

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