捕獲臺風能量

2020-11-11 07:58:56段景頤

大自然探索 2020年9期

段景頤

2018年國際空間站上拍攝到的美國“佛羅倫薩”颶風。

2019年9月，強臺風“法茜”登陸日本，讓不少日本民眾吃夠了苦?！胺ㄜ纭钡顷懞蟠笏疗茐牡孛婀╇娫O施，造成日本大范圍停電。由于正值夏季，停電導致冰柜無法工作，某拉面店主不得不將400份餐食倒掉。

臺風每年都給人類帶來巨大的生命威脅，并造成嚴重財產損失，但臺風中蘊含著巨量能源，人類如果能捕獲這些能源，就能彌補很大一部分能源缺口。臺風中的能源沒有額外碳排放，而且是可再生資源。更重要的是，臺風的能量被人類捕獲得越多，臺風對人類帶來的災害程度就越輕。

臺風能量哪里來？

可以把臺風看成是一臺巨大的熱機，也就是依靠熱量驅動引擎做工的設備。它能把海水吸收自太陽的巨大熱量轉化成風和海浪的動能、雨水的勢能和閃電的電能。臺風的巨大能量主要來自于海水中巨大的潛熱——水的高比熱容值讓大海能儲存大量來自太陽輻射的熱量。雖然夏季的熱帶海域表面波瀾不驚，但在強烈日照的作用下，大量海水蒸發并上升到高空。這個過程不但向大氣中補充大量水汽，而且把海水吸收自太陽的巨大熱量也一同帶到大氣中。

汽車引擎連續工作，需要持續吸熱和放熱。臺風形成的基本過程也是如此：臺風下方的熱帶海洋（平均溫度27℃）是臺風吸取熱量的“熱庫”;臺風最上端的對流層頂（平均溫度-72℃）是負責讓溫暖的水汽冷凝并放出熱量的 “冷凝器”?！盁釒臁焙汀袄淠鳌敝g的溫差越大，臺風轉化的機械能越多，風速也就越快。

臺風的能量來自海水中的潛熱。

不過，潛熱本身并不足以驅動臺風運動。根據伯努利原理，暖濕空氣上升過程會形成低壓區，這導致附近的高壓空氣向低壓區移動，風就這樣形成了。氣象學專家可根據氣象云圖上的等壓線判斷風力大小：相鄰等壓線分布越緊密，風力越大。等壓線反映的其實是大氣壓梯度。臺風眼附近的氣壓梯度緊密，因此越接近臺風眼風速越快。風速越快，海洋水汽蒸發速度也越快，這就像用電吹風吹濕頭發可加速頭發中的水分蒸發。蒸發量提高導致更多能量通過水汽被帶到高空，由此形成一個正反饋循環。

臺風這類熱帶氣旋的單個平均功率可達600太瓦，這是目前全球總發電能力的百余倍。不過，熱帶氣旋中的絕大部分能量是以熱量的形式儲存或釋放的，風能僅占其總能量的0.25%。但即便如此，熱帶氣旋的風能功率也有1.5太瓦，相當于全球總發電能力的1/3左右，因此熱帶氣旋是不折不扣的清潔能源富礦。

風電廠能減災

除了獲得能量，利用臺風發電還有一定的減災作用。有研究顯示，海上風能發電廠能捕獲臺風的一部分動能，同時減小其風力和風暴潮（由熱帶氣旋引起的海面上升）規模。該研究中，位于風力發電廠下風方向的沿岸海域比風力發電廠和其上風方向的海域的降水量明顯減少。

2017年的颶風“哈維”是美國得克薩斯州有氣象記錄以來給當地帶來最多降水的颶風，造成了嚴重的洪澇災害。海上風力發電廠則可通過降水形成的兩個重要因素——風匯聚和風發散來轉移降水。

首先，猛烈的颶風在吹過風力發電機的扇葉時，颶風的一部分動能被消耗在推動扇葉和渦輪旋轉上，颶風的風速因此降低。這就像在一條高速公路上突然發生了一起車禍，車禍現場后方高速駛來的汽車不得不減速，越來越多的汽車聚集形成了擁堵。如果把車輛替換成風，那么結果就是風會匯聚在風力發電廠附近。大量空氣匯聚在一起無處可去，只能向上運動。這個過程將更多的水汽轉移到大氣中，促進提前降水。

海上風力發電廠一定程度上能減少臺風/颶風給沿岸地區帶來的降水量。

當風完全穿過風力發電設備后，又會逐漸加速，就好像其他車輛在繞過被撞車輛后再次加速。這個過程被稱為風發散，其特點是以向下運動為主。風發散會將更干燥的空氣帶到低空，起到抑制降水的作用。通過以颶風“哈維”為模型進行計算機模擬，科學家得出結論：在颶風“哈維”抵達海岸前，海上風力發電廠可“榨出”颶風的一部分水汽，從而減少颶風抵達海岸時的降水量。

利用臺風并不簡單

2011年，英國阿德盧薩港的一臺風力渦輪機在一次狂風暴雨中發生爆炸。調查結果表明，當時的風速超過了風力渦輪機的最大設計時速。雖然海上風力發電廠讓人們看到了捕獲臺風能量并減小災害的希望，但事實上絕大多數風力發電機都很難直面猛烈的臺風。按照當前的工程標準，風力渦輪機能承受的最大瞬時風速約為每小時250千米，而2015年從墨西哥登陸的颶風“帕特麗夏”的最大風速高達每小時345千米。

傳統的風力渦輪機利用風能帶動三枚扇葉旋轉，并通過變速箱將低速的扇葉旋轉轉換為發電機所需要的高速旋轉，從而實現發電。在遭遇臺風、颶風等惡劣天氣時，過快的風速和變換的風向容易損壞扇葉。因此，在惡劣天氣時風力渦輪機的扇葉需要鎖定以保護設備。

為了讓風力渦輪機更耐極端天氣，科學家做了許多努力。2016年，日本某企業開發出了一種專門用于收集臺風能量的“臺風渦輪機”，其外形就像風箏的繞線板，其主體結構由圍繞中心軸旋轉的三塊豎直長板組成。因為這種渦輪機的旋轉方向與地面平行，所以不用考慮風向問題。并且這種渦輪機利用了“馬格努斯效應”，即能將渦輪機不同側的風速差形成的壓力差轉化成驅動渦輪機旋轉的推力。如果遇到臺風渦輪機也承受不了的超強臺風，葉片會盡可能緊貼旋轉軸并停止旋轉，從而保護渦輪機。

風力渦輪機在強風中損毀。

專門用于收集臺風風能的風力渦輪機。

AMPS 螺旋渦輪機能夠幫助建筑物抵御臺風。安裝前

AMPS 螺旋渦輪機能夠幫助建筑物抵御臺風。安裝后

同年，一種名為AMPS的螺旋渦輪機問世。這種渦輪機可被安裝在建筑物的屋檐上，利用風力驅動渦輪旋轉，產生電力。當遇到臺風這類極端天氣時，一排排長長的渦輪機組能有效降低風速，同時還能抑制強風在遇到障礙物后形成破壞性更強的渦流。

捕獲海浪動能

臺風帶來的危害除了強風和強烈降水外，還會在海上掀起滔天巨浪。臺風等強烈的天氣系統會引起局部海面異常升高，這種現象名為風暴潮。海面異常升降形成的巨浪會向周圍傳播。一旦巨浪抵達海岸，岸邊的水位就迅速上漲，吞噬巨浪移動路徑上的一切。2013年，臺風“海燕”席卷菲律賓獨魯萬?！昂Ｑ唷痹斐傻娘L暴潮在短時間內淹沒了獨魯萬市，導致上萬人死傷，并造成嚴重經濟損失。

其實，危險的風暴潮蘊含的能量也能被用于發電。2020年，某公司推出了PB3海浪能發電浮標。單個浮標總長14米，其中露出水面的浮標占總長的1/4，位于水面以下的豎梁和配重盤占總長的3/4，設備總重10噸。浮標通過纜繩和錨固定位置。在配重盤和豎梁的作用下，浮標能收集水平方向傳播的海浪的動量，并將其轉化為做豎直方向運動的能量，從而驅動浮標內的發電機發電。電力會沿電纜輸送到沿岸儲存起來，或者直接為附近設備供電。

PB3海浪能發電浮標。

電能如何輸送？

無論是收集風能還是海浪能，最佳的場所都是生成臺風的熱帶遠海。在那里建設發電廠能盡早消耗臺風能量，減小臺風對人類的危害。不過，如果將發電廠建設在遠離人類的遠海，就要解決如何傳輸或儲存電能的問題。

以目前的技術來看，海上發電廠將臺風能量轉化成電能儲存起來再運輸到需要用電的地區，是最合理的解決方案。儲存電能有許多種手段，包括壓縮空氣蓄能、彈簧蓄能、液壓蓄能等等。在所有這些方案中，可行性最高的是利用海上發電廠的電能電解海水，制備氫氣，并將氫氣儲存在氫氣罐中運到城市。

如果在海上發電廠設立電解制氫站，按照每天10小時的生產時間計算，每天可以處理10萬噸海水，消耗發電廠產出的電量1.78吉瓦時。制氫站每天可生產45噸氫氣，此外還能獲得許多副產品，其中包括：9萬噸淡水、5600噸鹽酸、1800噸氫氧化鈉、1000噸金屬鈉、280噸硫酸和100噸金屬鎂。

臺風電的儲存和運輸。

除了將氫氣儲存在氫氣罐中，氫氣也可以被直接用于驅動氫動力船舶。早在2013年，氫動力集裝箱貨船的概念就被提出。雖然這艘未來之船目前仍停留在概念階段，但在技術上已經基本具備可行性。該船長353米，以氫燃料電池（最大輸出功率可達40兆瓦）驅動電機為整艘船提供動力。

氫動力集裝箱貨船示意圖。

在人類真正實現利用臺風發電前，還有許多問題需要解決：首先臺風屬于“巨系統”的范疇，其移動路徑受許多因素影響，因此幾乎無法預測，也就無法確定海上發電廠的具體選址;其次，臺風有很強的季節性，海上發電廠每年只能工作數月，這會造成巨大的資源閑置和浪費;海上發電廠的規模無法輕易調整，適應性很差……盡管如此，在無數科學家和工程師的努力下，我們還是離實現利用臺風發電的目標越來越近了。