海浪發(fā)電：從海牛到海蛇

宮乃斌

小滿前后，青島多霧。霧氣最重時恰恰也是槐花盛開的時節(jié)。濃霧蒙蒙中不時飄來陣陣花香，耳畔時時傳來“哞－哞－”的聲音。那聲音低沉而悠遠(yuǎn)，大街小巷全聽得到。那是“海?！庇衷诮辛?。

青島人所說的“海牛”，是霧笛或霧號的俗稱，因其聲音極像老牛的吼叫。過去的船舶沒有雷達(dá)或定位系統(tǒng)，大霧中能見度低，只能聽?wèi){海上的霧笛聲指引航道，借以避免觸礁或彼此碰撞。

從霧笛到浮筒發(fā)電機(jī)

霧笛是1898年由法國人弗勒特切爾發(fā)明的。那是一個圓柱狀大浮筒，飄在海面上，再以錨系在海底。浮筒中有個彈性大氣囊，氣囊上帶有開口向上的氣門嘴，嘴上安裝一個號角。每當(dāng)大浪沖來，大氣囊被海浪壓縮，其中的空氣被迫從氣門嘴排出，便吹響了號角；大浪過去，氣囊外面沒了壓力，氣囊彈起，又重新吸入空氣膨脹起來。如此反復(fù)吸氣排氣，號角就間歇發(fā)出一聲又一聲“哞-哞-”的呼號。

如今，船上多安裝了先進(jìn)的雷達(dá)或衛(wèi)星定位系統(tǒng)，霧笛基本從海上消失了。然而，霧笛的原理被日本人發(fā)揚光大，并移植到浮筒發(fā)電機(jī)中去了。

1964年，日本人益田善雄制造成功了世界上第一臺自動航標(biāo)燈，以燈光指示船舶的航行。航標(biāo)燈由一臺浮筒發(fā)電機(jī)供電，發(fā)電機(jī)的基本原理與霧笛并無區(qū)別。甚至可以不客氣地說，那臺浮筒發(fā)電機(jī)簡直就是霧笛的改裝——在氣囊上加裝一臺發(fā)電機(jī)，利用反復(fù)膨脹、收縮的力驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，再點亮浮筒上的燈，僅此而已!如此巧妙地借鑒和移植，令人不能不感嘆發(fā)明者的聰明才智。

浮筒發(fā)電的航標(biāo)燈有可再生的能源為保障，永無斷電之虞。無須消耗任何燃料或資源，又無污染，因而很快在世界各地推廣。

在自動航標(biāo)燈制造成功之后，日本人并未停住腳步。1978年，世上最大的一座浮筒式發(fā)電裝置又聳立在海上。日本海洋科技中心聯(lián)合美、英、加拿大等國制造了一個長80米、寬12米的無底船式大“浮筒”，名曰“海明”號?！昂Ｃ鳌碧栆?3個振蕩水柱氣室代替了氣囊，用于帶動3臺25千瓦的兩閥式渦輪發(fā)電機(jī)組，其最大輸出功率曾經(jīng)達(dá)到150千瓦。1979年，“海明”號進(jìn)行了第二期實驗，裝設(shè)了8臺機(jī)組，總裝機(jī)容量為2000千瓦。

試驗顯示，“海明”號的整體結(jié)構(gòu)、錨泊裝置及海底電纜設(shè)計基本成功，但總效率并不理想，只有6.5％。不過，這臺大型浮筒發(fā)電裝置的試驗大大推動了各種海浪發(fā)電機(jī)的開發(fā)設(shè)計。

形形色色的海浪發(fā)電機(jī)

由于海浪的能量都集中在海面附近，50米深度下波浪就很小，這使海浪成為高度集中的能量源。不經(jīng)意間，世界各國已經(jīng)形成了一股海浪發(fā)電機(jī)設(shè)計熱。目前設(shè)計的海浪發(fā)電機(jī)多達(dá)數(shù)百種。筆者上網(wǎng)查了查，至今年4月底，僅在中國申請專利的就有166項。

當(dāng)然，其中絕大部分沒有試制過，有的也未必可行。

除了上述浮筒武外，比較成功的還有海底浮子式、海岸連桿式、振蕩浮子后彎管式、振蕩水柱式、愛丁堡鴨式、V形導(dǎo)槽聚波式和海蛇式等多種，各有千秋。其中，以環(huán)礁導(dǎo)流武等的設(shè)計較為奇特。

英國AWS海洋能源公司試制的海底浮子式海浪發(fā)電機(jī)固定于海底，以電纜與陸上的配電站連接。每個發(fā)電機(jī)的外殼都是一個套筒狀浮子。海面上波峰襲來時，浮子上方的水深增大，它承受的壓力隨之加大，浮子便被壓下。波峰過去后即是波谷，水深降低壓力減小，浮子受彈力作用便浮起。依靠浮子的上下運動，即可驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。

目前世界上最成功的海浪發(fā)電機(jī)當(dāng)推英國建造的蘇格蘭“貓貝”。“貓貝”位于大西洋中的艾斯雷島上，裝機(jī)容量500千瓦，已經(jīng)并入電網(wǎng)?！柏堌悺笔呛０哆B桿式，發(fā)電部分固定在岸上。以大西洋的海浪推動采能板進(jìn)退，采能板再通過連桿驅(qū)動發(fā)電機(jī)。

以色列能源與海水淡化有限公司則在迦法海岸建造了一家發(fā)電廠。依靠精心的設(shè)計，這家發(fā)電廠的性價比異常優(yōu)異。其效率可達(dá)75％，每度電的成本只有2美分。投資也少，建設(shè)一個1000千瓦發(fā)電廠的投資只需65萬美元。發(fā)電設(shè)備的動力來自采能板及連桿，大體上也是海岸連桿式。

愛丁堡鴨式海浪發(fā)電機(jī)是愛丁堡大學(xué)的工程師斯蒂芬-索爾特發(fā)明的。這個裝置構(gòu)思巧妙，像只鴨子，胸部迎著海浪。大浪來時，“鴨子”胸部被沖起，頭部高高翹著。大浪過后，胸部下落，頭也低下。一起一落之間，就像“鴨子”在搖擺點頭?！傍喿印逼ü缮涎b有凸輪連桿機(jī)構(gòu)，將上下擺動轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)動，給發(fā)電機(jī)以動力。

V形導(dǎo)槽聚波式海浪發(fā)電屬于奇思——在海中建一座V形墻，V字的開口面向波浪。波浪向V形尖角涌來時，水位迅速提高，漫過尖角時便可借勢能發(fā)電。

環(huán)礁導(dǎo)流武海浪發(fā)電與前面提到的一種相比，則屬于妙想——在海中建一個大型環(huán)礁，進(jìn)入環(huán)礁的海水急速旋轉(zhuǎn)，即可帶動水輪機(jī)發(fā)電。不過人工環(huán)礁工程浩大，還要非常堅固，不能被巨浪沖毀，建造起來有些難度。

目前最理想的還是海蛇式發(fā)電機(jī)，由英國海洋電力設(shè)備公司研制。歐洲海洋能源中心建造的樣機(jī)容量達(dá)750千瓦。現(xiàn)在英國哥斯波特進(jìn)行了水域測試，預(yù)計未來5年內(nèi)完全規(guī)模的設(shè)計將面世。

“海蛇”是一條長8米、直徑0.32米的橡膠管，前端系在立柱上，立柱固定在海底。橡膠管中充滿淡水，整體密封。渦輪發(fā)電機(jī)安裝在“蛇尾”?！昂Ｉ摺痹诤Ｖ须S波逐流，海浪拍打“蛇身”就產(chǎn)生了壓力。壓力由橡膠管的漲縮傳遞至尾部，迫使渦輪旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)發(fā)電。這種海浪拍打形成的壓力類似于電流通過人體，使人們在手腕和脖頸處感覺到電流。當(dāng)每一個膨脹波抵達(dá)橡膠蛇末端時，將為渦輪提供旋轉(zhuǎn)動力，從而產(chǎn)生電能。

完全尺寸大小的“海蛇”發(fā)電機(jī)長度將達(dá)到200米，搖曳在海中有點怪怪的。不過，這條怪蛇所產(chǎn)生的電能足以向1000個家庭供電，將比目前所有海浪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生更多的電能。

這種發(fā)電裝置是以橡膠為主的材料制成，類似于制造彈性拖曳容器的材料。除了渦輪之外，巨蟒發(fā)電機(jī)再沒有其他可移動部件，并不像其他海浪發(fā)電裝置需要將繩索系在海底。“海蛇”的設(shè)計者稱，這種最新裝置采取成本較低的工程費用，并有效降低了維護(hù)費用，與之相比在海岸造價高昂的發(fā)電裝置更容易受到腐蝕和產(chǎn)生其他問題。

2008年，迷你型“海蛇”發(fā)電機(jī)進(jìn)行了測試，預(yù)計第一款完全設(shè)計的“海蛇”發(fā)電機(jī)可在2014年開始運行。

優(yōu)勢和難題同在

隨著燃料價格上漲和對清潔綠色能源需求的增長，新型海浪發(fā)電技術(shù)愈加誘人。波浪發(fā)電的潛在優(yōu)勢顯而易見，其誘人之處至少有以下5點：

能量巨大。波浪能包括海洋表面波浪所具有的動能和勢能，與波高的平方、波浪的周期以及迎波面的寬度成正比。其功率還與風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)持續(xù)的時間、波浪流速等有關(guān)。有人經(jīng)過大體估算，全世界海浪的總功率約為700億千瓦，每年的總能量相當(dāng)于22×10¹⁷焦耳?？砷_發(fā)利用的至少也有25億千瓦，大約相當(dāng)于目前全世界總發(fā)電量的2.5倍。每平方米海浪可提供的能量比風(fēng)力高4倍，能滿足500倍于今的全球人口的用電需求。波浪發(fā)電為全球價值約數(shù)十億美元的電力短缺提供了一種解決辦法。

可再生，源源不斷。只要太陽仍然在天空照耀，地球照樣轉(zhuǎn)動，月亮依然存在，波浪能就永遠(yuǎn)不會消失?？芍^取之不盡，用之不竭。

無需消耗煤、油、水、鈾等燃料或資源，幾乎可以稱為無米之炊。

沒有污染，沒有廢水、廢氣、廢渣排放，是世上最清潔的能源之一。

分布最廣泛，可在遠(yuǎn)離陸地的海島、鉆井平臺、海洋開發(fā)中心、國防設(shè)施等常規(guī)能源難以供應(yīng)之處供電，得天獨厚。

然而，海浪如同一匹難以馴服的烈馬，在具有諸多優(yōu)勢的同時也給人類帶來許多難題。

客觀地說，迄今為止，最成熟、最可靠、用量最大的海浪發(fā)電機(jī)還是航標(biāo)燈用的浮筒發(fā)電機(jī)。因此，世人至今沒有忘記消失了的霧笛。它所發(fā)出的悠遠(yuǎn)低音仿佛在提醒我們：海浪發(fā)電任重而道遠(yuǎn)。(文章代碼：1309)

責(zé)任編輯趙菲