捕获台风能量

2020-11-11段景颐

大自然探索 2020年9期

段景颐

2018年國际空间站上拍摄到的美国“佛罗伦萨”飓风。

2019年9月，强台风“法茜”登陆日本，让不少日本民众吃够了苦。“法茜”登陆后大肆破坏地面供电设施，造成日本大范围停电。由于正值夏季，停电导致冰柜无法工作，某拉面店主不得不将400份餐食倒掉。

台风每年都给人类带来巨大的生命威胁，并造成严重财产损失，但台风中蕴含着巨量能源，人类如果能捕获这些能源，就能弥补很大一部分能源缺口。台风中的能源没有额外碳排放，而且是可再生资源。更重要的是，台风的能量被人类捕获得越多，台风对人类带来的灾害程度就越轻。

台风能量哪里来？

可以把台风看成是一台巨大的热机，也就是依靠热量驱动引擎做工的设备。它能把海水吸收自太阳的巨大热量转化成风和海浪的动能、雨水的势能和闪电的电能。台风的巨大能量主要来自于海水中巨大的潜热——水的高比热容值让大海能储存大量来自太阳辐射的热量。虽然夏季的热带海域表面波澜不惊，但在强烈日照的作用下，大量海水蒸发并上升到高空。这个过程不但向大气中补充大量水汽，而且把海水吸收自太阳的巨大热量也一同带到大气中。

汽车引擎连续工作，需要持续吸热和放热。台风形成的基本过程也是如此：台风下方的热带海洋（平均温度27℃）是台风吸取热量的“热库”;台风最上端的对流层顶（平均温度-72℃）是负责让温暖的水汽冷凝并放出热量的 “冷凝器”。“热库”和“冷凝器”之间的温差越大，台风转化的机械能越多，风速也就越快。

台风的能量来自海水中的潜热。

不过，潜热本身并不足以驱动台风运动。根据伯努利原理，暖湿空气上升过程会形成低压区，这导致附近的高压空气向低压区移动，风就这样形成了。气象学专家可根据气象云图上的等压线判断风力大小：相邻等压线分布越紧密，风力越大。等压线反映的其实是大气压梯度。台风眼附近的气压梯度紧密，因此越接近台风眼风速越快。风速越快，海洋水汽蒸发速度也越快，这就像用电吹风吹湿头发可加速头发中的水分蒸发。蒸发量提高导致更多能量通过水汽被带到高空，由此形成一个正反馈循环。

台风这类热带气旋的单个平均功率可达600太瓦，这是目前全球总发电能力的百余倍。不过，热带气旋中的绝大部分能量是以热量的形式储存或释放的，风能仅占其总能量的0.25%。但即便如此，热带气旋的风能功率也有1.5太瓦，相当于全球总发电能力的1/3左右，因此热带气旋是不折不扣的清洁能源富矿。

风电厂能减灾

除了获得能量，利用台风发电还有一定的减灾作用。有研究显示，海上风能发电厂能捕获台风的一部分动能，同时减小其风力和风暴潮（由热带气旋引起的海面上升）规模。该研究中，位于风力发电厂下风方向的沿岸海域比风力发电厂和其上风方向的海域的降水量明显减少。

2017年的飓风“哈维”是美国得克萨斯州有气象记录以来给当地带来最多降水的飓风，造成了严重的洪涝灾害。海上风力发电厂则可通过降水形成的两个重要因素——风汇聚和风发散来转移降水。

首先，猛烈的飓风在吹过风力发电机的扇叶时，飓风的一部分动能被消耗在推动扇叶和涡轮旋转上，飓风的风速因此降低。这就像在一条高速公路上突然发生了一起车祸，车祸现场后方高速驶来的汽车不得不减速，越来越多的汽车聚集形成了拥堵。如果把车辆替换成风，那么结果就是风会汇聚在风力发电厂附近。大量空气汇聚在一起无处可去，只能向上运动。这个过程将更多的水汽转移到大气中，促进提前降水。

海上风力发电厂一定程度上能减少台风/飓风给沿岸地区带来的降水量。

当风完全穿过风力发电设备后，又会逐渐加速，就好像其他车辆在绕过被撞车辆后再次加速。这个过程被称为风发散，其特点是以向下运动为主。风发散会将更干燥的空气带到低空，起到抑制降水的作用。通过以飓风“哈维”为模型进行计算机模拟，科学家得出结论：在飓风“哈维”抵达海岸前，海上风力发电厂可“榨出”飓风的一部分水汽，从而减少飓风抵达海岸时的降水量。

利用台风并不简单

2011年，英国阿德卢萨港的一台风力涡轮机在一次狂风暴雨中发生爆炸。调查结果表明，当时的风速超过了风力涡轮机的最大设计时速。虽然海上风力发电厂让人们看到了捕获台风能量并减小灾害的希望，但事实上绝大多数风力发电机都很难直面猛烈的台风。按照当前的工程标准，风力涡轮机能承受的最大瞬时风速约为每小时250千米，而2015年从墨西哥登陆的飓风“帕特丽夏”的最大风速高达每小时345千米。

传统的风力涡轮机利用风能带动三枚扇叶旋转，并通过变速箱将低速的扇叶旋转转换为发电机所需要的高速旋转，从而实现发电。在遭遇台风、飓风等恶劣天气时，过快的风速和变换的风向容易损坏扇叶。因此，在恶劣天气时风力涡轮机的扇叶需要锁定以保护设备。

为了让风力涡轮机更耐极端天气，科学家做了许多努力。2016年，日本某企业开发出了一种专门用于收集台风能量的“台风涡轮机”，其外形就像风筝的绕线板，其主体结构由围绕中心轴旋转的三块竖直长板组成。因为这种涡轮机的旋转方向与地面平行，所以不用考虑风向问题。并且这种涡轮机利用了“马格努斯效应”，即能将涡轮机不同侧的风速差形成的压力差转化成驱动涡轮机旋转的推力。如果遇到台风涡轮机也承受不了的超强台风，叶片会尽可能紧贴旋转轴并停止旋转，从而保护涡轮机。

风力涡轮机在强风中损毁。

专门用于收集台风风能的风力涡轮机。

AMPS 螺旋涡轮机能够帮助建筑物抵御台风。安装前

AMPS 螺旋涡轮机能够帮助建筑物抵御台风。安装后

同年，一种名为AMPS的螺旋涡轮机问世。这种涡轮机可被安装在建筑物的屋檐上，利用风力驱动涡轮旋转，产生电力。当遇到台风这类极端天气时，一排排长长的涡轮机组能有效降低风速，同时还能抑制强风在遇到障碍物后形成破坏性更强的涡流。

捕获海浪动能

台风带来的危害除了强风和强烈降水外，还会在海上掀起滔天巨浪。台风等强烈的天气系统会引起局部海面异常升高，这种现象名为风暴潮。海面异常升降形成的巨浪会向周围传播。一旦巨浪抵达海岸，岸边的水位就迅速上涨，吞噬巨浪移动路径上的一切。2013年，台风“海燕”席卷菲律宾独鲁万。“海燕”造成的风暴潮在短时间内淹没了独鲁万市，导致上万人死伤，并造成严重经济损失。

其实，危险的风暴潮蕴含的能量也能被用于发电。2020年，某公司推出了PB3海浪能发电浮标。单个浮标总长14米，其中露出水面的浮标占总长的1/4，位于水面以下的竖梁和配重盘占总长的3/4，设备总重10吨。浮标通过缆绳和锚固定位置。在配重盘和竖梁的作用下，浮标能收集水平方向传播的海浪的动量，并将其转化为做竖直方向运动的能量，从而驱动浮标内的发电机发电。电力会沿电缆输送到沿岸储存起來，或者直接为附近设备供电。

PB3海浪能发电浮标。

电能如何输送？

无论是收集风能还是海浪能，最佳的场所都是生成台风的热带远海。在那里建设发电厂能尽早消耗台风能量，减小台风对人类的危害。不过，如果将发电厂建设在远离人类的远海，就要解决如何传输或储存电能的问题。

以目前的技术来看，海上发电厂将台风能量转化成电能储存起来再运输到需要用电的地区，是最合理的解决方案。储存电能有许多种手段，包括压缩空气蓄能、弹簧蓄能、液压蓄能等等。在所有这些方案中，可行性最高的是利用海上发电厂的电能电解海水，制备氢气，并将氢气储存在氢气罐中运到城市。

如果在海上发电厂设立电解制氢站，按照每天10小时的生产时间计算，每天可以处理10万吨海水，消耗发电厂产出的电量1.78吉瓦时。制氢站每天可生产45吨氢气，此外还能获得许多副产品，其中包括：9万吨淡水、5600吨盐酸、1800吨氢氧化钠、1000吨金属钠、280吨硫酸和100吨金属镁。

台风电的储存和运输。

除了将氢气储存在氢气罐中，氢气也可以被直接用于驱动氢动力船舶。早在2013年，氢动力集装箱货船的概念就被提出。虽然这艘未来之船目前仍停留在概念阶段，但在技术上已经基本具备可行性。该船长353米，以氢燃料电池（最大输出功率可达40兆瓦）驱动电机为整艘船提供动力。

氢动力集装箱货船示意图。

在人类真正实现利用台风发电前，还有许多问题需要解决：首先台风属于“巨系统”的范畴，其移动路径受许多因素影响，因此几乎无法预测，也就无法确定海上发电厂的具体选址;其次，台风有很强的季节性，海上发电厂每年只能工作数月，这会造成巨大的资源闲置和浪费;海上发电厂的规模无法轻易调整，适应性很差……尽管如此，在无数科学家和工程师的努力下，我们还是离实现利用台风发电的目标越来越近了。