從颶風(fēng)里偷能量

白多

說到最具破壞性的自然災(zāi)害，颶風(fēng)當(dāng)之無愧。颶風(fēng)登陸后，強(qiáng)風(fēng)掀翻屋頂，強(qiáng)雨會(huì)引發(fā)洪澇災(zāi)害，所到之處都會(huì)變成一片廢墟。比如美國歷史上損失最慘重和最致命的颶風(fēng)——卡特里娜颶風(fēng)，雖然以小型颶風(fēng)強(qiáng)度登陸，但仍造成最少750億美元的經(jīng)濟(jì)損失，以及1836人喪生，705人下落不明。

雖然颶風(fēng)的破壞力非常驚人，堪稱“惡魔”。但這個(gè)“惡魔”并非只會(huì)搗亂，因?yàn)轱Z風(fēng)也是一個(gè)龐大的“能源庫”。據(jù)計(jì)算，一個(gè)颶風(fēng)可以產(chǎn)生600萬億瓦特的能量，相當(dāng)于全世界一年所能生產(chǎn)的總能量的200倍。所以，只要人類利用好了，“惡魔”也同樣會(huì)造福人類。那么，科學(xué)家們?cè)撛趺礃永眠@些破壞力巨大，行蹤又很詭異的熱帶氣旋呢？

大部分颶風(fēng)的能量以熱能的形式存儲(chǔ)，隨著水蒸氣蒸發(fā)凝結(jié)成雨后釋放。目前，以人類的科技水平還無法利用颶風(fēng)的熱能。

颶風(fēng)產(chǎn)生的另外一部分能源是風(fēng)能，雖然只占到颶風(fēng)產(chǎn)生能量的百分之一，但研究者預(yù)計(jì)颶風(fēng)能創(chuàng)造約合241千米/時(shí)的風(fēng)速，這也是一個(gè)相當(dāng)可觀的潛在清潔能源?，F(xiàn)在，已經(jīng)有一些新發(fā)明能利用颶風(fēng)的風(fēng)能。

改進(jìn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)

一種方法是改進(jìn)風(fēng)力發(fā)電渦輪機(jī)。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)由方向固定的三個(gè)巨型葉片組成，用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。但在颶風(fēng)天中，過快的轉(zhuǎn)速以及無法預(yù)測的風(fēng)向會(huì)使得葉片容易斷裂。所以，當(dāng)颶風(fēng)或者臺(tái)風(fēng)到來時(shí)，為了減少損失，渦輪機(jī)會(huì)被鎖住并停止能源生產(chǎn)。即使如此，臺(tái)風(fēng)對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)的損壞也是毀滅性的。2013年，一場臺(tái)風(fēng)就毀掉了日本沿海16臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，而臺(tái)風(fēng)天兔登陸廣東汕尾紅海灣時(shí)，造成當(dāng)?shù)仫L(fēng)電場8個(gè)渦旋機(jī)倒塌，另有8個(gè)損壞。

現(xiàn)在，日本的一個(gè)企業(yè)家改進(jìn)了傳統(tǒng)的葉片渦輪機(jī)，消除了它的脆弱性，發(fā)明了全世界第一臺(tái)臺(tái)風(fēng)渦輪機(jī)。

這臺(tái)渦輪發(fā)電機(jī)形似一個(gè)巨大的放風(fēng)箏的繞線板，主體是兩頭用Y形架固定的三個(gè)圓柱體，中間與地面的直立軸連接，這樣不僅能夠適應(yīng)任何方向的風(fēng)，不易被折斷，而且充分利用了馬格努斯效應(yīng)。馬格努斯效應(yīng)說的是當(dāng)旋轉(zhuǎn)體置于流體中時(shí)，隨著與旋轉(zhuǎn)體的摩擦，流體一側(cè)的流動(dòng)加速，而另一側(cè)相反，呈現(xiàn)流動(dòng)變慢狀態(tài)。這種流速的不同會(huì)產(chǎn)生壓力差，在與流體的流動(dòng)垂直相交的方向上產(chǎn)生作用力。借助馬格努斯效應(yīng)產(chǎn)生的推力，帶動(dòng)臺(tái)風(fēng)渦輪機(jī)的葉片旋轉(zhuǎn)，三個(gè)葉片共同轉(zhuǎn)動(dòng)，最終會(huì)帶動(dòng)垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)來發(fā)電。

同時(shí)，垂直軸還能控制葉片速度，無論外力有多強(qiáng)，只要垂直軸收緊葉片，葉片的轉(zhuǎn)速就會(huì)變慢，或是完全靜止，這樣可以避免臺(tái)風(fēng)天氣葉片旋轉(zhuǎn)速度失控。在一般情況下，這臺(tái)臺(tái)風(fēng)渦輪機(jī)可以達(dá)到大約30%的效能，傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)雖然能達(dá)到40%，但在臺(tái)風(fēng)天氣不能正常運(yùn)行。

2011年3月福島核電站事故發(fā)生之前，日本計(jì)劃將在2020年實(shí)現(xiàn)核電占一次能源利用比例60%，事故發(fā)生之后，日本約84%的能源得依靠進(jìn)口。發(fā)明者認(rèn)為當(dāng)這樣的臺(tái)風(fēng)發(fā)電機(jī)投入使用后，只需一次臺(tái)風(fēng)，就能產(chǎn)生日本50年所需的電力。2016年，全球首個(gè)臺(tái)風(fēng)渦輪發(fā)電機(jī)被安裝在日本沖繩。

颶風(fēng)“擋箭牌”

在美國佛羅里達(dá)國際大學(xué)的國際研究中心，有一個(gè)颶風(fēng)風(fēng)力試驗(yàn)室。走進(jìn)試驗(yàn)室，你將會(huì)看到全球最大的颶風(fēng)模擬設(shè)備——風(fēng)墻。風(fēng)墻很高，由兩層疊加在一起的風(fēng)扇組成，每個(gè)風(fēng)扇直徑約1.6米，一共12個(gè)，每個(gè)風(fēng)扇都由一個(gè)700馬力的發(fā)動(dòng)機(jī)供電。這個(gè)8400馬力系統(tǒng)泵送的最大風(fēng)速可達(dá)每小時(shí)約合256千米，相當(dāng)于5級(jí)颶風(fēng)。

最初，佛羅里達(dá)國際大學(xué)的研究者只是想通過試驗(yàn)改進(jìn)在颶風(fēng)猛烈襲擊中崩塌的建筑設(shè)計(jì)和材料，包括從釘子、屋頂板到屋頂?shù)目照{(diào)裝置等眾多細(xì)節(jié)。不過，最近研究者并不想止步于此，他們?cè)O(shè)計(jì)了一套新發(fā)明：在抗擊颶風(fēng)的同時(shí)，還可以發(fā)電。

颶風(fēng)吹向建筑物時(shí)，受建筑物的阻擋，風(fēng)會(huì)向上流動(dòng)，形成漩渦。漩渦一面旋轉(zhuǎn)，一面迅速移動(dòng)，會(huì)撕裂瓷磚和屋頂板。并且快速吹過屋頂?shù)目諝怃鰷u和屋內(nèi)的空氣會(huì)產(chǎn)生一個(gè)氣壓差，形成一個(gè)向上的升力，掀翻整個(gè)屋頂。而科學(xué)家發(fā)明的這個(gè)裝置像螺旋槳的渦輪機(jī)那樣很長，可以安裝在整座建筑的屋檐或排水槽上，這樣當(dāng)颶風(fēng)沖擊建筑物時(shí)，可以利用其產(chǎn)生的強(qiáng)大空氣漩渦，同時(shí)減弱空氣漩渦的損害威力。

除了減少風(fēng)力對(duì)建筑物的撞擊，渦輪機(jī)還可以蓄積電能，當(dāng)一個(gè)家庭遭遇停電級(jí)別的風(fēng)暴后，渦輪機(jī)產(chǎn)生的電力可以維持這個(gè)家庭幾天的電力供應(yīng)?，F(xiàn)在，這套設(shè)備仍處于測試階段，如果未來研發(fā)成功，將不僅能利用颶風(fēng)的風(fēng)能，也能利用每小時(shí)時(shí)速十幾千米“微風(fēng)”。未來，借助這種技術(shù)，每個(gè)家庭將可能實(shí)現(xiàn)電能自給自足，不用等待城市電網(wǎng)供電。

浮標(biāo)也能發(fā)電

颶風(fēng)不僅會(huì)在陸地上肆虐，它們?cè)诤Ｑ笾幸矔?huì)掀起滔天大浪。2011年8月27日，颶風(fēng)“艾琳”抵達(dá)美國東海岸，美國政府很早之前就下令疏散幾百萬居民。和人類慌不擇待地撤離相比，有一個(gè)設(shè)備卻被提前放置到了颶風(fēng)會(huì)經(jīng)過的海域，直面滔天巨浪，它就是PB3能量浮標(biāo)。

PB3能量浮標(biāo)高達(dá)14.3米，重達(dá)1萬噸，可以放置在深度為20米～1千米的海洋上，由厚鋼板、單柱式平臺(tái)、浮子等配件構(gòu)成。

普通一點(diǎn)的水上浮標(biāo)被用作航標(biāo)標(biāo)志，用以標(biāo)示航道范圍、指示淺灘等。當(dāng)颶風(fēng)經(jīng)過時(shí)，科學(xué)家們會(huì)通過裝有傳感器的浮標(biāo)來研究和跟蹤颶風(fēng)并測定颶風(fēng)的速度。那么，PB3是如何發(fā)電的呢？

PB3發(fā)電機(jī)制充分利用了機(jī)械動(dòng)能。在海浪的作用下，浮子會(huì)沿著單柱式平臺(tái)上下浮動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)會(huì)驅(qū)動(dòng)單柱式平臺(tái)里的電力發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電能。同時(shí)，用錨系連著配電站基底的厚鋼板會(huì)保證PB3不會(huì)被風(fēng)浪吹走，并通過水下的電纜供應(yīng)電能給周圍的海上設(shè)備，電能也能被存在單柱式平臺(tái)所攜帶的電池里。這些電池可以存儲(chǔ)44～150千瓦時(shí)的電量，當(dāng)電池充滿電時(shí)，多余的能量會(huì)自動(dòng)以熱能的形式釋放。

當(dāng)颶風(fēng)“艾琳”經(jīng)過時(shí)，處于“風(fēng)口浪尖”的PB3不僅抵抗住了十幾米的巨浪，而且還保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)，每小時(shí)都會(huì)向陸地實(shí)驗(yàn)室發(fā)送關(guān)于自己生產(chǎn)的電力及其他數(shù)據(jù)報(bào)告。

現(xiàn)在PB3能量浮標(biāo)還只能為海上設(shè)備，如石油鉆井平臺(tái)、船舶或海底監(jiān)測設(shè)備發(fā)電。2010年，PB3的研發(fā)公司與美國海軍在夏威夷演示了PB3直接連接到陸地電網(wǎng)，為電網(wǎng)輸送電力。不過，為電網(wǎng)供應(yīng)電力的技術(shù)現(xiàn)在還不太成熟。