海浪發電：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。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，大街小巷全聽得到。那是“海牛”又在叫了。

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或定位系統，大霧中能見度低，只能聽憑海上的霧笛聲指引航道，借以避免觸礁或彼此碰撞。

從霧笛到浮筒發電機

霧笛是1898年由法國人弗勒特切爾發明的。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。如此反復吸氣排氣，號角就間歇發出一聲又一聲“哞-哞-”的呼號。

如今，船上多安裝了先進的雷達或衛星定位系統，霧笛基本從海上消失了。然而，霧笛的原理被日本人發揚光大，并移植到浮筒發電機中去了。

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

浮筒發電的航標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電裝置又聳立在海上。日本海洋科技中心聯合美、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。“海明”號以13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電機組，其最大輸出功率曾經達到150千瓦。1979年，“海明”號進行了第二期實驗，裝設了8臺機組，總裝機容量為2000千瓦。

試驗顯示，“海明”號的整體結構、錨泊裝置及海底電纜設計基本成功，但總效率并不理想，只有6.5％。不過，這臺大型浮筒發電裝置的試驗大大推動了各種海浪發電機的開發設計。

形形色色的海浪發電機

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。不經意間，世界各國已經形成了一股海浪發電機設計熱。目前設計的海浪發電機多達數百種。筆者上網查了查，至今年4月底，僅在中國申請專利的就有166項。

當然，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形導槽聚波式和海蛇式等多種，各有千秋。其中，以環礁導流武等的設計較為奇特。

英國AWS海洋能源公司試制的海底浮子式海浪發電機固定于海底，以電纜與陸上的配電站連接。每個發電機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，即可驅動發電機發電。

目前世界上最成功的海浪發電機當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，裝機容量500千瓦，已經并入電網。“貓貝”是海岸連桿式，發電部分固定在岸上。以大西洋的海浪推動采能板進退，采能板再通過連桿驅動發電機。

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電廠。依靠精心的設計，這家發電廠的性價比異常優異。其效率可達75％，每度電的成本只有2美分。投資也少，建設一個1000千瓦發電廠的投資只需65萬美元。發電設備的動力來自采能板及連桿，大體上也是海岸連桿式。

愛丁堡鴨式海浪發電機是愛丁堡大學的工程師斯蒂芬-索爾特發明的。這個裝置構思巧妙，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。“鴨子”屁股上裝有凸輪連桿機構，將上下擺動轉變為轉動，給發電機以動力。

V形導槽聚波式海浪發電屬于奇思——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電。

環礁導流武海浪發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礁，進入環礁的海水急速旋轉，即可帶動水輪機發電。不過人工環礁工程浩大，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電機，由英國海洋電力設備公司研制。歐洲海洋能源中心建造的樣機容量達750千瓦。現在英國哥斯波特進行了水域測試，預計未來5年內完全規模的設計將面世。

“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。渦輪發電機安裝在“蛇尾”。“海蛇”在海中隨波逐流，海浪拍打“蛇身”就產生了壓力。壓力由橡膠管的漲縮傳遞至尾部，迫使渦輪旋轉發電機發電。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。當每一個膨脹波抵達橡膠蛇末端時，將為渦輪提供旋轉動力，從而產生電能。

完全尺寸大小的“海蛇”發電機長度將達到200米，搖曳在海中有點怪怪的。不過，這條怪蛇所產生的電能足以向1000個家庭供電，將比目前所有海浪發電機產生更多的電能。

這種發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，巨蟒發電機再沒有其他可移動部件，并不像其他海浪發電裝置需要將繩索系在海底。“海蛇”的設計者稱，這種最新裝置采取成本較低的工程費用，并有效降低了維護費用，與之相比在海岸造價高昂的發電裝置更容易受到腐蝕和產生其他問題。

2008年，迷你型“海蛇”發電機進行了測試，預計第一款完全設計的“海蛇”發電機可在2014年開始運行。

優勢和難題同在

隨著燃料價格上漲和對清潔綠色能源需求的增長，新型海浪發電技術愈加誘人。波浪發電的潛在優勢顯而易見，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。其功率還與風速、風向、風持續的時間、波浪流速等有關。有人經過大體估算，全世界海浪的總功率約為700億千瓦，每年的總能量相當于22×10¹⁷焦耳。可開發利用的至少也有25億千瓦，大約相當于目前全世界總發電量的2.5倍。每平方米海浪可提供的能量比風力高4倍，能滿足500倍于今的全球人口的用電需求。波浪發電為全球價值約數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，地球照樣轉動，月亮依然存在，波浪能就永遠不會消失。可謂取之不盡，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，可在遠離陸地的海島、鉆井平臺、海洋開發中心、國防設施等常規能源難以供應之處供電，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、用量最大的海浪發電機還是航標燈用的浮筒發電機。因此，世人至今沒有忘記消失了的霧笛。它所發出的悠遠低音仿佛在提醒我們：海浪發電任重而道遠。(文章代碼：1309)

責任編輯趙菲