海底大風(fēng)車

周期性的潮起潮落 ，大海里蘊藏著巨大能量。

深達(dá)數(shù)十米的海底，神奇的大風(fēng)車，將帶給人們什么樣的驚喜？

2011年5月的一天，在山東省威海市的一個碼頭，一行數(shù)人正準(zhǔn)備乘船出海。盡管海上霧蒙蒙的，但對他們而言，已算是不錯的天氣。（圖1）

王大政（哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授）：今天天氣很好，沒有風(fēng)浪，如果天氣惡劣，風(fēng)狂浪大，行程就很艱難。

貌似平靜的大海其實喜怒無常，在臺風(fēng)或海嘯慫恿下，它會顯得非?？裨?，那時一切變得非常可怕。

于華明（中國海洋大學(xué)博士）：船晃得有二、三十度。海面掀起白色的巨浪。船艙里凳子、椅子、桌子，大部分都翻倒了。

盡管如此，他們已在不同海域開展工作一年之久。兩人小心翼翼地將一種儀器放入海中，沒過多久，就得到一些反饋數(shù)據(jù)。

于華明：我們把探測器放到不同深度測量每一層海洋，顯示器則記錄、顯示出各層海流的大小和方向。（圖2）

王大政：需要大量海上測試工作，從中得到至少一年的水文資料，繪出它的潮汐流分布圖。

除此之外，更多精密測量儀器也被派上用場，它們甚至能夠在無人值守的情況下，在深達(dá)數(shù)十米的海底自動進(jìn)行長時間、高分辨率的觀測。

于華明：在觀測一個月或者兩個月之后，對儀器進(jìn)行回收，數(shù)據(jù)已保存其中。通過電腦跟儀器相連，把數(shù)據(jù)回收到庫中，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析。（圖3）

在進(jìn)行了認(rèn)真、緊張作業(yè)后，一行人又要趕往下一個觀測站點，他們正在進(jìn)行的究竟是一項什么工作呢？

對于每一個在海邊出生和長大的孩子來說，大海從小就是生活中不可或缺的一部分，于華明是他們中的一個。高中畢業(yè)后，于華明報考了離家不遠(yuǎn)的中國海洋大學(xué)，對熟悉的海洋開始了科學(xué)的學(xué)習(xí)。

海洋是生命的搖籃，它為地球上生命的誕生、進(jìn)化和繁衍提供了條件，而人類的文明和進(jìn)步同樣和海洋息息相關(guān)。隨著地球上能源的枯竭和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們已經(jīng)不滿足于僅從海洋中獲取食物，也開始對它蘊藏的巨大能量產(chǎn)生興趣。

鮑獻(xiàn)文（中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院副院長）：海洋每天都有漲潮、落潮的過程，是什么引起海水大面積來回這樣運動呢？歸根結(jié)蒂可以追溯到萬有引力。

由于受到月球、太陽等天體引力的作用，地球上的海水會出現(xiàn)周期性的潮汐現(xiàn)象：到了一定時間，海水就會逐漸上漲，從而達(dá)到高潮；而過后一段時間，上漲的海水又會自行退去，從而出現(xiàn)低潮，如此循環(huán)重復(fù)、永不停息。早在上世紀(jì)六、七十年代，在一些潮差較高的海域，人們利用較窄的灣口等有利地形修建攔海堤壩，當(dāng)漲潮時，海水進(jìn)入庫區(qū)蓄積，在落潮時就能夠利用水輪發(fā)電機組進(jìn)行發(fā)電。

鮑獻(xiàn)文：江夏潮汐電站、白沙口潮汐電站，一直在正常工作。我國潮汐電站從工程建設(shè)到發(fā)電機組生產(chǎn)，都有比較好的基礎(chǔ)。

但是，潮汐能發(fā)電有明顯局限，除了在海里修建堤壩費用太高外，長時間使用會引起泥沙淤積，從而減少庫容。更重要的是，由于只能在每天固定的潮時發(fā)電，除非出現(xiàn)大潮，否則發(fā)電功率并不高，帶來的直接經(jīng)濟效益也不明顯。

圖1 一行人準(zhǔn)備出海

圖2 顯示器記錄、顯示測量數(shù)據(jù)

圖3 接收數(shù)據(jù)入庫供日后分析處理

人類對于能源的開發(fā)利用，是從比較簡單到比較復(fù)雜的過程。煤、石油、天然氣都易利用，因此被大量開采、大量使用。以至于到今天人們突然發(fā)現(xiàn)，這些資源接近用完。而對于像風(fēng)能、太陽能、海洋能，明知它就在眼前，但是技術(shù)上非常難。采用現(xiàn)代技術(shù)把它利用起來，是一個由簡到難的過程。雖然潮汐能在上世紀(jì)七十年代以后，逐漸淡出能源領(lǐng)域，但人們還在想辦法，好利用海洋蘊藏的無盡能量。

在中國海洋大學(xué)度過七年時光后，于華明到德國漢堡大學(xué)攻讀博士學(xué)位。國外的先進(jìn)理念，讓他受益匪淺。

于華明：新能源戰(zhàn)略已經(jīng)作為德國一個非常重要的戰(zhàn)略。它希望到2020年可再生能源達(dá)到百分之十五的比例，2050年達(dá)到百分之二十以上的比例，這已經(jīng)在發(fā)展戰(zhàn)略中明確提出。

全球能源枯竭已是非常嚴(yán)峻的現(xiàn)實。據(jù)統(tǒng)計，僅2009年全世界就消耗石油38.8億噸，天然氣2.94萬億立方米，煤炭65.6億噸。這些寶貴的天然資源不僅不能再生，消耗時還會產(chǎn)生大量二氧化碳，而海洋能則不存在這些問題。

鮑獻(xiàn)文：它有自己獨具的優(yōu)點，一個它是可再生能，也就是說一直可以利用，取之不盡，用之不竭。再一個它是清潔能源或者低碳能源的利用形式。

海洋面積約占地球表面積的百分之七十一。專家認(rèn)為，海洋能的總量大大超過陸地的可再生能源。更關(guān)鍵的是，全球的經(jīng)濟發(fā)達(dá)區(qū)和電能消耗幾乎都集中在沿海地區(qū)。海洋能的開發(fā)不僅便于輸電，也能減少輸電損失。2010年，于華明回到中國海洋大學(xué)任教，他也逐漸找到自己的發(fā)展方向。

于華明：我覺得學(xué)理科的人，應(yīng)該與工科與社會需求更好結(jié)合起來。將這種背景知識，應(yīng)用在開發(fā)海洋的實際中。

一天，在威海市郊區(qū)的一條沿海公路旁，出現(xiàn)兩個人的身影。王大政在于華明的邀請下，兩人專門對海邊的風(fēng)能發(fā)電進(jìn)行考察。（圖4）

王大政：我國引進(jìn)風(fēng)能技術(shù)比較早，也比較多。在威海成山頭海邊有大量風(fēng)能，應(yīng)用效果也不錯。

作為一種可再生的清潔能源，風(fēng)能越來越受到世界各國青睞。近年來，海上風(fēng)能成了重中之重。2010年6月，經(jīng)過四年的籌備、施工和安裝，我國也是亞洲的第一個大型海上風(fēng)電項目——上海東海大橋十萬千瓦海上風(fēng)電場開始并網(wǎng)發(fā)電，34臺3兆瓦的大風(fēng)車面朝大海迎風(fēng)取電，開啟了我國在海上索取風(fēng)電的新紀(jì)元。（圖5）

于華明：海上風(fēng)能，是市場化逐漸成熟的一個領(lǐng)域。在學(xué)習(xí)過程中，我們對海上風(fēng)能的發(fā)展也非常關(guān)注，進(jìn)行了相關(guān)研究。

但這些巨大的風(fēng)車并不是兩人最終的目標(biāo)，他們真實的想法，聽起來讓人有些不可思議。

于華明：只是介質(zhì)不同，只是把風(fēng)力發(fā)電機放在水中，利用水流的特點來發(fā)電，我們是學(xué)海洋的，希望把成熟的風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)，在海洋中得到進(jìn)一步的應(yīng)用。

他們計劃設(shè)計一種類似的大風(fēng)車，只不過它們不是豎立在空中，而是被安放在數(shù)十米深的海底，能夠帶動它們運轉(zhuǎn)并且產(chǎn)生能量的也不再是風(fēng)能，而是潮流的涌動。

一字之差，可有天壤之別。前面說的是潮汐發(fā)電，現(xiàn)在說的是潮流發(fā)電，別看指的都是潮，但幾乎是兩個概念。怎么理解呢？潮汐能，是指漲潮落潮，也就是垂直運動方向的能量，它是伴隨星體引力等造成的現(xiàn)象，利用的實際上是勢能。潮流能，是大海一蕩一蕩推過來的力量，某種程度上講，它利用的是動能。雖然都是大海的能量，但利用的方法不一樣。因此，要想利用潮流能，就不能是潮汐能電站那種方式。

雖然聽起來有些突發(fā)奇想，實際上長期從事海洋學(xué)研究的于華明已經(jīng)有了充分的積累。

于華明：我做了全球海洋潮汐潮流的數(shù)值模擬工作，不光中國近海的潮汐潮流，包括全球海洋的潮汐潮流，都有一定的相關(guān)資料和一定的了解。

英國是世界上最早研究潮流能發(fā)電的國家之一，而王大政不僅曾長期在英國從事螺旋槳和水下潮流渦輪葉片的設(shè)計與實驗研究， 并在國際上首先建立了潮流渦輪模型實驗的相似定律。（圖6）

王大政：因為已有這樣的技術(shù)，非常高興參與這個項目，進(jìn)一步提高我國的海洋技術(shù)。

圖4 沿海公路出現(xiàn)兩個人的身影

圖5 上海10萬千瓦海上風(fēng)能電場

即使在國外，潮流發(fā)電也僅僅是經(jīng)過了理論研究，模型和樣機的實驗，國外同行也在摸索中，他們又該從哪入手呢？

于華明：首先要為潮流發(fā)電機的設(shè)計提供必要的選址，可再生能源都是跟具體的地點相對應(yīng)的，每一個地點的潮流資源和可再生能源的資源特征是不同的，要為潮流發(fā)電機的設(shè)計，提供必要的水文參數(shù)。

要獲取這種參數(shù)就必須經(jīng)過大量的現(xiàn)場觀測，并且通過數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行水文環(huán)境的模擬，一年多來，項目組成員在海上展開了非常細(xì)致的調(diào)查工作。

于華明：希望潮流能滿足潮流發(fā)電機的設(shè)計要求，一是額定流速1.3米/秒，啟動流速30厘米/秒以上。二是水深要在 20米以上，在20到30米的范圍之內(nèi)。

在確定威海、青島附近一些海域的同時，項目組也開始了潮流發(fā)電機的設(shè)計工作。由于水的密度是風(fēng)的832倍，即使是同等大小的風(fēng)速和水速，水流的力量也要大得多，因此牢固穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)非常重要。

于華明：首先參照了較為成熟的風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)。其次水下潮流發(fā)電機一個最大的特點就是它的可靠性和穩(wěn)定性。

王大政：風(fēng)電的風(fēng)車靠一個巨大的支架支撐。在海上安裝這個支架，成本占了百分之三十，非常高。潮流發(fā)電機采用的是座機式，就是坐在海底的，減少了安裝成本。

2011年5月，在哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海校區(qū)實驗室里，王大政正在帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行一項非常重要的檢測。

王大政：這個非常小的渦輪，是整個葉輪的關(guān)鍵部件，它將水的動能轉(zhuǎn)化成電能。因此它的設(shè)計正確與否，關(guān)系到整個渦輪設(shè)計質(zhì)量。

整個設(shè)計是一個非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^程，在用理論方法設(shè)計出潮流渦輪的葉片后，將葉片按比例縮小，使它能在實驗水槽里進(jìn)行測試，測量它的各種參數(shù)是否與設(shè)計相一致。一旦模型實驗與理論設(shè)計的誤差被控制在百分之一到百分之二，潮流渦輪便達(dá)到了設(shè)計要求。不過，這僅是按十分之一縮小的水槽模型，真正的模型實驗將在另一實驗室進(jìn)行。一旦準(zhǔn)備完畢，潮流渦輪模型將在大型試驗水槽里反復(fù)實驗，盡量控制精度誤差，最終達(dá)到設(shè)計要求。（圖7）

王大政：要反復(fù)通過實驗驗證理論設(shè)計，確保它的正確性。設(shè)計錯誤將導(dǎo)致后期包括發(fā)電設(shè)備等等都不對，所以這是很關(guān)鍵的部分。

但是，水槽中僅能產(chǎn)生一個方向的流場，與真實的潮流還有一定區(qū)別。在近海，潮流的運動是以復(fù)流的形式存在，漲潮時向岸邊運動，落潮則朝著相反方向退去。

于華明：為了能夠在盡量長的時間里利用潮流的能量，潮流發(fā)電機設(shè)計成漲潮時發(fā)電，落潮時也能發(fā)電。

也就是說，當(dāng)潮流改變方向時，發(fā)電機必須有一個轉(zhuǎn)向機構(gòu)，這樣才能確保渦輪發(fā)電方向始終和流向一致，而這也正是整個設(shè)計上最難的部分。

王大政：接到項目后，感到困難大一點的是如何雙向的問題。不改變渦輪的方向，通過設(shè)計一個雙向發(fā)電的葉輪來解決這個難題，這在國內(nèi)外還沒有先例。

經(jīng)過長時間理論研究和大量實驗論證后，一種全新的能夠雙向發(fā)電的葉輪終于設(shè)計出來，無論是漲潮還是退潮，它都能夠轉(zhuǎn)動并且直接驅(qū)動發(fā)電機，將動能轉(zhuǎn)換成電能，這在世界上都屬于先進(jìn)水平。

一比一的10千瓦樣機正在緊張制作中，在大型實驗室進(jìn)行檢測后，下一步將直接安放到海底。根據(jù)設(shè)計，它的葉片直徑為7米，高度達(dá)到15米，一臺就能滿足10戶人家的日常所有用電。（圖8）

于華明：目前我國示范性工程的潮流發(fā)電機，有500千瓦、600千瓦的，它可以供五六百戶人家、一千多人的日常用電。對于一般的海島，或者一般的漁村，一臺潮流發(fā)電機，就能提供他們的日常生活和生產(chǎn)用電。

利用海洋潮流的推動能力進(jìn)行發(fā)電的裝置，雖然還有很多方面需要改進(jìn)，但已成為國家首批海洋再生資源項目之一。它不僅指明了未來能源發(fā)展的方向，對于那些遠(yuǎn)離大陸的島嶼來說，有著實實在在的好處。有這樣一套獨立的系統(tǒng)，島上居民的生活、生產(chǎn)會有很大改觀。這項技術(shù)將越來越多地為人們提供可再生的、清潔的海洋能源。（圖9）

圖6 王大政在國際上首先建立了潮流渦輪模型實驗的相似定律

圖7 縮小的渦輪葉片在水槽里測試

圖8 “大風(fēng)車”安裝在海底示意圖

圖9 未來的海洋能電場