從颶風里偷能量

白多

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

雖然颶風的破壞力非常驚人，堪稱“惡魔”。但這個“惡魔”并非只會搗亂，因為颶風也是一個龐大的“能源庫”。據(jù)計算，一個颶風可以產(chǎn)生600萬億瓦特的能量，相當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”也同樣會造福人類。那么，科學家們該怎么樣利用這些破壞力巨大，行蹤又很詭異的熱帶氣旋呢？

大部分颶風的能量以熱能的形式存儲，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的熱能。

颶風產(chǎn)生的另外一部分能源是風能，雖然只占到颶風產(chǎn)生能量的百分之一，但研究者預計颶風能創(chuàng)造約合241千米/時的風速，這也是一個相當可觀的潛在清潔能源?，F(xiàn)在，已經(jīng)有一些新發(fā)明能利用颶風的風能。

改進風力發(fā)電機

一種方法是改進風力發(fā)電渦輪機。傳統(tǒng)的風力發(fā)電機由方向固定的三個巨型葉片組成，用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。但在颶風天中，過快的轉(zhuǎn)速以及無法預測的風向會使得葉片容易斷裂。所以，當颶風或者臺風到來時，為了減少損失，渦輪機會被鎖住并停止能源生產(chǎn)。即使如此，臺風對傳統(tǒng)風力渦輪機的損壞也是毀滅性的。2013年，一場臺風就毀掉了日本沿海16臺風力發(fā)電機，而臺風天兔登陸廣東汕尾紅海灣時，造成當?shù)仫L電場8個渦旋機倒塌，另有8個損壞。

現(xiàn)在，日本的一個企業(yè)家改進了傳統(tǒng)的葉片渦輪機，消除了它的脆弱性，發(fā)明了全世界第一臺臺風渦輪機。

這臺渦輪發(fā)電機形似一個巨大的放風箏的繞線板，主體是兩頭用Y形架固定的三個圓柱體，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，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)說的是當旋轉(zhuǎn)體置于流體中時，隨著與旋轉(zhuǎn)體的摩擦，流體一側(cè)的流動加速，而另一側(cè)相反，呈現(xiàn)流動變慢狀態(tài)。這種流速的不同會產(chǎn)生壓力差，在與流體的流動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，帶動臺風渦輪機的葉片旋轉(zhuǎn)，三個葉片共同轉(zhuǎn)動，最終會帶動垂直軸轉(zhuǎn)動來發(fā)電。

同時，垂直軸還能控制葉片速度，無論外力有多強，只要垂直軸收緊葉片，葉片的轉(zhuǎn)速就會變慢，或是完全靜止，這樣可以避免臺風天氣葉片旋轉(zhuǎn)速度失控。在一般情況下，這臺臺風渦輪機可以達到大約30%的效能，傳統(tǒng)的風力發(fā)電機雖然能達到40%，但在臺風天氣不能正常運行。

2011年3月福島核電站事故發(fā)生之前，日本計劃將在2020年實現(xiàn)核電占一次能源利用比例60%，事故發(fā)生之后，日本約84%的能源得依靠進口。發(fā)明者認為當這樣的臺風發(fā)電機投入使用后，只需一次臺風，就能產(chǎn)生日本50年所需的電力。2016年，全球首個臺風渦輪發(fā)電機被安裝在日本沖繩。

颶風“擋箭牌”

在美國佛羅里達國際大學的國際研究中心，有一個颶風風力試驗室。走進試驗室，你將會看到全球最大的颶風模擬設(shè)備——風墻。風墻很高，由兩層疊加在一起的風扇組成，每個風扇直徑約1.6米，一共12個，每個風扇都由一個700馬力的發(fā)動機供電。這個8400馬力系統(tǒng)泵送的最大風速可達每小時約合256千米，相當于5級颶風。

最初，佛羅里達國際大學的研究者只是想通過試驗改進在颶風猛烈襲擊中崩塌的建筑設(shè)計和材料，包括從釘子、屋頂板到屋頂?shù)目照{(diào)裝置等眾多細節(jié)。不過，最近研究者并不想止步于此，他們設(shè)計了一套新發(fā)明：在抗擊颶風的同時，還可以發(fā)電。

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

除了減少風力對建筑物的撞擊，渦輪機還可以蓄積電能，當一個家庭遭遇停電級別的風暴后，渦輪機產(chǎn)生的電力可以維持這個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，將不僅能利用颶風的風能，也能利用每小時時速十幾千米“微風”。未來，借助這種技術(shù)，每個家庭將可能實現(xiàn)電能自給自足，不用等待城市電網(wǎng)供電。

浮標也能發(fā)電

颶風不僅會在陸地上肆虐，它們在海洋中也會掀起滔天大浪。2011年8月27日，颶風“艾琳”抵達美國東海岸，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，有一個設(shè)備卻被提前放置到了颶風會經(jīng)過的海域，直面滔天巨浪，它就是PB3能量浮標。

PB3能量浮標高達14.3米，重達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、浮子等配件構(gòu)成。

普通一點的水上浮標被用作航標標志，用以標示航道范圍、指示淺灘等。當颶風經(jīng)過時，科學家們會通過裝有傳感器的浮標來研究和跟蹤颶風并測定颶風的速度。那么，PB3是如何發(fā)電的呢？

PB3發(fā)電機制充分利用了機械動能。在海浪的作用下，浮子會沿著單柱式平臺上下浮動，這種運動會驅(qū)動單柱式平臺里的電力發(fā)動機產(chǎn)生電能。同時，用錨系連著配電站基底的厚鋼板會保證PB3不會被風浪吹走，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所攜帶的電池里。這些電池可以存儲44～150千瓦時的電量，當電池充滿電時，多余的能量會自動以熱能的形式釋放。

當颶風“艾琳”經(jīng)過時，處于“風口浪尖”的PB3不僅抵抗住了十幾米的巨浪，而且還保持正常運轉(zhuǎn)，每小時都會向陸地實驗室發(fā)送關(guān)于自己生產(chǎn)的電力及其他數(shù)據(jù)報告。

現(xiàn)在PB3能量浮標還只能為海上設(shè)備，如石油鉆井平臺、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。endprint