从飓风里偷能量

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来源:大科技·科学之谜
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从飓风里偷能量,虽然飓风的破坏力非常惊人,堪称“恶魔”。但这个“恶魔”并非只会捣乱,因为飓风也是一个庞大的“能源库”。据计算,一个飓风可以产生600万亿瓦特的能量,相当于全世界一年所能生产的总能量的200倍。所以,只要人类利用好了,“恶魔”也同样会造福人类。

    说到最具破坏性的自然灾害,飓风当之无愧。飓风登陆后,强风掀翻屋顶,强雨会引发洪涝灾害,所到之处都会变成一片废墟。比如美国历史上损失最惨重和最致命的飓风——卡特里娜飓风,虽然以小型飓风强度登陆,但仍造成最少750亿美元的经济损失,以及1836人丧生,705人下落不明。

虽然飓风的破坏力非常惊人,堪称“恶魔”。但这个“恶魔”并非只会捣乱,因为飓风也是一个庞大的“能源库”。据计算,一个飓风可以产生600万亿瓦特的能量,相当于全世界一年所能生产的总能量的200倍。所以,只要人类利用好了,“恶魔”也同样会造福人类。那么,科学家们该怎么样利用这些破坏力巨大,行踪又很诡异的热带气旋呢?
大部分飓风的能量以热能的形式存储,随着水蒸气蒸发凝结成雨后释放。目前,以人类的科技水平还无法利用飓风的热能。
飓风产生的另外一部分能源是风能,虽然只占到飓风产生能量的百分之一,但研究者预计飓风能创造约合241千米/时的风速,这也是一个相当可观的潜在清洁能源。现在,已经有一些新发明能利用飓风的风能。

美国科学家研制的风墙.jpg

改进风力发电机

一种方法是改进风力发电涡轮机。传统的风力发电机由方向固定的三个巨型叶片组成,用风力带动风车叶片旋转,再透过增速机将旋转的速度提升,来促使发电机发电。但在飓风天中,过快的转速以及无法预测的风向会使得叶片容易断裂。所以,当飓风或者台风到来时,为了减少损失,涡轮机会被锁住并停止能源生产。即使如此,台风对传统风力涡轮机的损坏也是毁灭性的。2013年,一场台风就毁掉了日本沿海16台风力发电机,而台风天兔登陆广东汕尾红海湾时,造成当地风电场8个涡旋机倒塌,另有8个损坏。
现在,日本的一个企业家改进了传统的叶片涡轮机,消除了它的脆弱性,发明了全世界第一台台风涡轮机。
这台涡轮发电机形似一个巨大的放风筝的绕线板,主体是两头用Y形架固定的三个圆柱体,中间与地面的直立轴连接,这样不仅能够适应任何方向的风,不易被折断,而且充分利用了马格努斯效应。马格努斯效应说的是当旋转体置于流体中时,随着与旋转体的摩擦,流体一侧的流动加速,而另一侧相反,呈现流动变慢状态。这种流速的不同会产生压力差,在与流体的流动垂直相交的方向上产生作用力。借助马格努斯效应产生的推力,带动台风涡轮机的叶片旋转,三个叶片共同转动,最终会带动垂直轴转动来发电。
同时,垂直轴还能控制叶片速度,无论外力有多强,只要垂直轴收紧叶片,叶片的转速就会变慢,或是完全静止,这样可以避免台风天气叶片旋转速度失控。在一般情況下,这台台风涡轮机可以达到大约30%的效能,传统的风力发电机虽然能达到40%,但在台风天气不能正常运行。
2011年3月福岛核电站事故发生之前,日本计划将在2020年实现核电占一次能源利用比例60%,事故发生之后,日本约84%的能源得依靠进口。发明者认为当这样的台风发电机投入使用后,只需一次台风,就能产生日本50年所需的电力。2016年,全球首个台风涡轮发电机被安装在日本冲绳。

飓风“挡箭牌”

在美国佛罗里达国际大学的国际研究中心,有一个飓风风力试验室。走进试验室,你将会看到全球最大的飓风模拟设备——风墙。风墙很高,由两层叠加在一起的风扇组成,每个风扇直径约1.6米,一共12个,每个风扇都由一个700马力的发动机供电。这个8400马力系统泵送的最大风速可达每小时约合256千米,相当于5级飓风。
最初,佛罗里达国际大学的研究者只是想通过试验改进在飓风猛烈袭击中崩塌的建筑设计和材料,包括从钉子、屋顶板到屋顶的空调装置等众多细节。不过,最近研究者并不想止步于此,他们设计了一套新发明:在抗击飓风的同时,还可以发电。
飓风吹向建筑物时,受建筑物的阻挡,风会向上流动,形成漩涡。漩涡一面旋转,一面迅速移动,会撕裂瓷砖和屋顶板。并且快速吹过屋顶的空气漩涡和屋内的空气会产生一个气压差,形成一个向上的升力,掀翻整个屋顶。而科学家发明的这个装置像螺旋桨的涡轮机那样很长,可以安装在整座建筑的屋檐或排水槽上,这样当飓风冲击建筑物时,可以利用其产生的强大空气漩涡,同时减弱空气漩涡的损害威力。
除了减少风力对建筑物的撞击,涡轮机还可以蓄积电能,当一个家庭遭遇停电级别的风暴后,涡轮机产生的电力可以维持这个家庭几天的电力供应。现在,这套设备仍处于测试阶段,如果未来研发成功,将不仅能利用飓风的风能,也能利用每小时时速十几千米“微风”。未来,借助这种技术,每个家庭将可能实现电能自给自足,不用等待城市电网供电。

浮标也能发电

飓风不仅会在陆地上肆虐,它们在海洋中也会掀起滔天大浪。2011年8月27日,飓风“艾琳”抵达美国东海岸,美国政府很早之前就下令疏散几百万居民。和人类慌不择待地撤离相比,有一个设备却被提前放置到了飓风会经过的海域,直面滔天巨浪,它就是PB3能量浮标。 
PB3能量浮标高达14.3米,重达1万吨,可以放置在深度为20米~1千米的海洋上,由厚钢板、单柱式平台、浮子等配件构成。  
普通一点的水上浮标被用作航标标志,用以标示航道范围、指示浅滩等。当飓风经过时,科学家们会通过装有传感器的浮标来研究和跟踪飓风并测定飓风的速度。那么,PB3是如何发电的呢?
PB3发电机制充分利用了机械动能。在海浪的作用下,浮子会沿着单柱式平台上下浮动,这种运动会驱动单柱式平台里的电力发动机产生电能。同时,用锚系连着配电站基底的厚钢板会保证PB3不会被风浪吹走,并通过水下的电缆供应电能给周围的海上设备,电能也能被存在单柱式平台所携带的电池里。这些电池可以存储44~150千瓦时的电量,当电池充满电时,多余的能量会自动以热能的形式释放。
当飓风“艾琳”经过时,处于“风口浪尖”的PB3不仅抵抗住了十几米的巨浪,而且还保持正常运转,每小时都会向陆地实验室发送关于自己生产的电力及其他数据报告。  
 现在PB3能量浮标还只能为海上设备,如石油钻井平台、船舶或海底监测设备发电。2010年,PB3的研发公司与美国海军在夏威夷演示了PB3直接连接到陆地电网,为电网输送电力。不过,为电网供应电力的技术现在还不太成熟。

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