段景頤

2018年國(guó)際空間站上拍攝到的美國(guó)“佛羅倫薩”颶風(fēng)。

2019年9月，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“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(shè)施，造成日本大范圍停電。由于正值夏季，停電導(dǎo)致冰柜無(wú)法工作，某拉面店主不得不將400份餐食倒掉。

臺(tái)風(fēng)每年都給人類帶來(lái)巨大的生命威脅，并造成嚴(yán)重財(cái)產(chǎn)損失，但臺(tái)風(fēng)中蘊(yùn)含著巨量能源，人類如果能捕獲這些能源，就能彌補(bǔ)很大一部分能源缺口。臺(tái)風(fēng)中的能源沒(méi)有額外碳排放，而且是可再生資源。更重要的是，臺(tái)風(fēng)的能量被人類捕獲得越多，臺(tái)風(fēng)對(duì)人類帶來(lái)的災(zāi)害程度就越輕。

臺(tái)風(fēng)能量哪里來(lái)？

可以把臺(tái)風(fēng)看成是一臺(tái)巨大的熱機(jī)，也就是依靠熱量驅(qū)動(dòng)引擎做工的設(shè)備。它能把海水吸收自太陽(yáng)的巨大熱量轉(zhuǎn)化成風(fēng)和海浪的動(dòng)能、雨水的勢(shì)能和閃電的電能。臺(tái)風(fēng)的巨大能量主要來(lái)自于海水中巨大的潛熱——水的高比熱容值讓大海能儲(chǔ)存大量來(lái)自太陽(yáng)輻射的熱量。雖然夏季的熱帶海域表面波瀾不驚，但在強(qiáng)烈日照的作用下，大量海水蒸發(fā)并上升到高空。這個(gè)過(guò)程不但向大氣中補(bǔ)充大量水汽，而且把海水吸收自太陽(yáng)的巨大熱量也一同帶到大氣中。

汽車引擎連續(xù)工作，需要持續(xù)吸熱和放熱。臺(tái)風(fēng)形成的基本過(guò)程也是如此：臺(tái)風(fēng)下方的熱帶海洋（平均溫度27℃）是臺(tái)風(fēng)吸取熱量的“熱庫(kù)”;臺(tái)風(fēng)最上端的對(duì)流層頂（平均溫度-72℃）是負(fù)責(zé)讓溫暖的水汽冷凝并放出熱量的 “冷凝器”?！盁釒?kù)”和“冷凝器”之間的溫差越大，臺(tái)風(fēng)轉(zhuǎn)化的機(jī)械能越多，風(fēng)速也就越快。

臺(tái)風(fēng)的能量來(lái)自海水中的潛熱。

不過(guò)，潛熱本身并不足以驅(qū)動(dòng)臺(tái)風(fēng)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)伯努利原理，暖濕空氣上升過(guò)程會(huì)形成低壓區(qū)，這導(dǎo)致附近的高壓空氣向低壓區(qū)移動(dòng)，風(fēng)就這樣形成了。氣象學(xué)專家可根據(jù)氣象云圖上的等壓線判斷風(fēng)力大?。合噜彽葔壕€分布越緊密，風(fēng)力越大。等壓線反映的其實(shí)是大氣壓梯度。臺(tái)風(fēng)眼附近的氣壓梯度緊密，因此越接近臺(tái)風(fēng)眼風(fēng)速越快。風(fēng)速越快，海洋水汽蒸發(fā)速度也越快，這就像用電吹風(fēng)吹濕頭發(fā)可加速頭發(fā)中的水分蒸發(fā)。蒸發(fā)量提高導(dǎo)致更多能量通過(guò)水汽被帶到高空，由此形成一個(gè)正反饋循環(huán)。

臺(tái)風(fēng)這類熱帶氣旋的單個(gè)平均功率可達(dá)600太瓦，這是目前全球總發(fā)電能力的百余倍。不過(guò)，熱帶氣旋中的絕大部分能量是以熱量的形式儲(chǔ)存或釋放的，風(fēng)能僅占其總能量的0.25%。但即便如此，熱帶氣旋的風(fēng)能功率也有1.5太瓦，相當(dāng)于全球總發(fā)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(fēng)電廠能減災(zāi)

除了獲得能量，利用臺(tái)風(fēng)發(fā)電還有一定的減災(zāi)作用。有研究顯示，海上風(fēng)能發(fā)電廠能捕獲臺(tái)風(fēng)的一部分動(dòng)能，同時(shí)減小其風(fēng)力和風(fēng)暴潮（由熱帶氣旋引起的海面上升）規(guī)模。該研究中，位于風(fēng)力發(fā)電廠下風(fēng)方向的沿岸海域比風(fēng)力發(fā)電廠和其上風(fēng)方向的海域的降水量明顯減少。

2017年的颶風(fēng)“哈維”是美國(guó)得克薩斯州有氣象記錄以來(lái)給當(dāng)?shù)貛?lái)最多降水的颶風(fēng)，造成了嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。海上風(fēng)力發(fā)電廠則可通過(guò)降水形成的兩個(gè)重要因素——風(fēng)匯聚和風(fēng)發(fā)散來(lái)轉(zhuǎn)移降水。

首先，猛烈的颶風(fēng)在吹過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的扇葉時(shí)，颶風(fēng)的一部分動(dòng)能被消耗在推動(dòng)扇葉和渦輪旋轉(zhuǎn)上，颶風(fēng)的風(fēng)速因此降低。這就像在一條高速公路上突然發(fā)生了一起車禍，車禍現(xiàn)場(chǎng)后方高速駛來(lái)的汽車不得不減速，越來(lái)越多的汽車聚集形成了擁堵。如果把車輛替換成風(fēng)，那么結(jié)果就是風(fēng)會(huì)匯聚在風(fēng)力發(fā)電廠附近。大量空氣匯聚在一起無(wú)處可去，只能向上運(yùn)動(dòng)。這個(gè)過(guò)程將更多的水汽轉(zhuǎn)移到大氣中，促進(jìn)提前降水。

海上風(fēng)力發(fā)電廠一定程度上能減少臺(tái)風(fēng)/颶風(fēng)給沿岸地區(qū)帶來(lái)的降水量。

當(dāng)風(fēng)完全穿過(guò)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備后，又會(huì)逐漸加速，就好像其他車輛在繞過(guò)被撞車輛后再次加速。這個(gè)過(guò)程被稱為風(fēng)發(fā)散，其特點(diǎn)是以向下運(yùn)動(dòng)為主。風(fēng)發(fā)散會(huì)將更干燥的空氣帶到低空，起到抑制降水的作用。通過(guò)以颶風(fēng)“哈維”為模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，科學(xué)家得出結(jié)論：在颶風(fēng)“哈維”抵達(dá)海岸前，海上風(fēng)力發(fā)電廠可“榨出”颶風(fēng)的一部分水汽，從而減少颶風(fēng)抵達(dá)海岸時(shí)的降水量。

利用臺(tái)風(fēng)并不簡(jiǎn)單

2011年，英國(guó)阿德盧薩港的一臺(tái)風(fēng)力渦輪機(jī)在一次狂風(fēng)暴雨中發(fā)生爆炸。調(diào)查結(jié)果表明，當(dāng)時(shí)的風(fēng)速超過(guò)了風(fēng)力渦輪機(jī)的最大設(shè)計(jì)時(shí)速。雖然海上風(fēng)力發(fā)電廠讓人們看到了捕獲臺(tái)風(fēng)能量并減小災(zāi)害的希望，但事實(shí)上絕大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)都很難直面猛烈的臺(tái)風(fēng)。按照當(dāng)前的工程標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)力渦輪機(jī)能承受的最大瞬時(shí)風(fēng)速約為每小時(shí)250千米，而2015年從墨西哥登陸的颶風(fēng)“帕特麗夏”的最大風(fēng)速高達(dá)每小時(shí)345千米。

傳統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機(jī)利用風(fēng)能帶動(dòng)三枚扇葉旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)變速箱將低速的扇葉旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)所需要的高速旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電。在遭遇臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)等惡劣天氣時(shí)，過(guò)快的風(fēng)速和變換的風(fēng)向容易損壞扇葉。因此，在惡劣天氣時(shí)風(fēng)力渦輪機(jī)的扇葉需要鎖定以保護(hù)設(shè)備。

為了讓風(fēng)力渦輪機(jī)更耐極端天氣，科學(xué)家做了許多努力。2016年，日本某企業(yè)開(kāi)發(fā)出了一種專門(mén)用于收集臺(tái)風(fēng)能量的“臺(tái)風(fēng)渦輪機(jī)”，其外形就像風(fēng)箏的繞線板，其主體結(jié)構(gòu)由圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)的三塊豎直長(zhǎng)板組成。因?yàn)檫@種渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向與地面平行，所以不用考慮風(fēng)向問(wèn)題。并且這種渦輪機(jī)利用了“馬格努斯效應(yīng)”，即能將渦輪機(jī)不同側(cè)的風(fēng)速差形成的壓力差轉(zhuǎn)化成驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的推力。如果遇到臺(tái)風(fēng)渦輪機(jī)也承受不了的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，葉片會(huì)盡可能緊貼旋轉(zhuǎn)軸并停止旋轉(zhuǎn)，從而保護(hù)渦輪機(jī)。

風(fēng)力渦輪機(jī)在強(qiáng)風(fēng)中損毀。

專門(mén)用于收集臺(tái)風(fēng)風(fēng)能的風(fēng)力渦輪機(jī)。

AMPS 螺旋渦輪機(jī)能夠幫助建筑物抵御臺(tái)風(fēng)。安裝前

AMPS 螺旋渦輪機(jī)能夠幫助建筑物抵御臺(tái)風(fēng)。安裝后

同年，一種名為AMPS的螺旋渦輪機(jī)問(wèn)世。這種渦輪機(jī)可被安裝在建筑物的屋檐上，利用風(fēng)力驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電力。當(dāng)遇到臺(tái)風(fēng)這類極端天氣時(shí)，一排排長(zhǎng)長(zhǎng)的渦輪機(jī)組能有效降低風(fēng)速，同時(shí)還能抑制強(qiáng)風(fēng)在遇到障礙物后形成破壞性更強(qiáng)的渦流。

捕獲海浪動(dòng)能

臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的危害除了強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)烈降水外，還會(huì)在海上掀起滔天巨浪。臺(tái)風(fēng)等強(qiáng)烈的天氣系統(tǒng)會(huì)引起局部海面異常升高，這種現(xiàn)象名為風(fēng)暴潮。海面異常升降形成的巨浪會(huì)向周圍傳播。一旦巨浪抵達(dá)海岸，岸邊的水位就迅速上漲，吞噬巨浪移動(dòng)路徑上的一切。2013年，臺(tái)風(fēng)“海燕”席卷菲律賓獨(dú)魯萬(wàn)?！昂Ｑ唷痹斐傻娘L(fēng)暴潮在短時(shí)間內(nèi)淹沒(méi)了獨(dú)魯萬(wàn)市，導(dǎo)致上萬(wàn)人死傷，并造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。

其實(shí)，危險(xiǎn)的風(fēng)暴潮蘊(yùn)含的能量也能被用于發(fā)電。2020年，某公司推出了PB3海浪能發(fā)電浮標(biāo)。單個(gè)浮標(biāo)總長(zhǎng)14米，其中露出水面的浮標(biāo)占總長(zhǎng)的1/4，位于水面以下的豎梁和配重盤(pán)占總長(zhǎng)的3/4，設(shè)備總重10噸。浮標(biāo)通過(guò)纜繩和錨固定位置。在配重盤(pán)和豎梁的作用下，浮標(biāo)能收集水平方向傳播的海浪的動(dòng)量，并將其轉(zhuǎn)化為做豎直方向運(yùn)動(dòng)的能量，從而驅(qū)動(dòng)浮標(biāo)內(nèi)的發(fā)電機(jī)發(fā)電。電力會(huì)沿電纜輸送到沿岸儲(chǔ)存起來(lái)，或者直接為附近設(shè)備供電。

PB3海浪能發(fā)電浮標(biāo)。

電能如何輸送？

無(wú)論是收集風(fēng)能還是海浪能，最佳的場(chǎng)所都是生成臺(tái)風(fēng)的熱帶遠(yuǎn)海。在那里建設(shè)發(fā)電廠能盡早消耗臺(tái)風(fēng)能量，減小臺(tái)風(fēng)對(duì)人類的危害。不過(guò)，如果將發(fā)電廠建設(shè)在遠(yuǎn)離人類的遠(yuǎn)海，就要解決如何傳輸或儲(chǔ)存電能的問(wèn)題。

以目前的技術(shù)來(lái)看，海上發(fā)電廠將臺(tái)風(fēng)能量轉(zhuǎn)化成電能儲(chǔ)存起來(lái)再運(yùn)輸?shù)叫枰秒姷牡貐^(qū)，是最合理的解決方案。儲(chǔ)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(fā)電廠的電能電解海水，制備氫氣，并將氫氣儲(chǔ)存在氫氣罐中運(yùn)到城市。

如果在海上發(fā)電廠設(shè)立電解制氫站，按照每天10小時(shí)的生產(chǎn)時(shí)間計(jì)算，每天可以處理10萬(wàn)噸海水，消耗發(fā)電廠產(chǎn)出的電量1.78吉瓦時(shí)。制氫站每天可生產(chǎn)45噸氫氣，此外還能獲得許多副產(chǎn)品，其中包括：9萬(wàn)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(tái)風(fēng)電的儲(chǔ)存和運(yùn)輸。

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

氫動(dòng)力集裝箱貨船示意圖。

在人類真正實(shí)現(xiàn)利用臺(tái)風(fēng)發(fā)電前，還有許多問(wèn)題需要解決：首先臺(tái)風(fēng)屬于“巨系統(tǒng)”的范疇，其移動(dòng)路徑受許多因素影響，因此幾乎無(wú)法預(yù)測(cè)，也就無(wú)法確定海上發(fā)電廠的具體選址;其次，臺(tái)風(fēng)有很強(qiáng)的季節(jié)性，海上發(fā)電廠每年只能工作數(shù)月，這會(huì)造成巨大的資源閑置和浪費(fèi);海上發(fā)電廠的規(guī)模無(wú)法輕易調(diào)整，適應(yīng)性很差……盡管如此，在無(wú)數(shù)科學(xué)家和工程師的努力下，我們還是離實(shí)現(xiàn)利用臺(tái)風(fēng)發(fā)電的目標(biāo)越來(lái)越近了。

臺(tái)風(fēng)和颶風(fēng)有什么區(qū)別？

臺(tái)風(fēng)和颶風(fēng)都屬于強(qiáng)熱帶氣旋，兩者的區(qū)別在于形成地不同——形成于西太平洋及鄰近海域的叫臺(tái)風(fēng)，形成于東北太平洋或大西洋的叫颶風(fēng)。

古人對(duì)颶風(fēng)的認(rèn)識(shí)

中美洲的許多原住民文化中都有關(guān)于颶風(fēng)的神明形象，例如泰諾文明和瑪雅文明中的颶風(fēng)神“胡拉肯”。胡拉肯的一種造像的兩條胳膊呈螺旋狀，這表明古代中美洲文明已經(jīng)意識(shí)到了颶風(fēng)的大致形態(tài)，而西方科學(xué)家直到1831年才發(fā)現(xiàn)颶風(fēng)是螺旋狀的。

臺(tái)風(fēng)的結(jié)構(gòu)

臺(tái)風(fēng)由臺(tái)風(fēng)眼、云墻和螺旋雨帶三部分組成。臺(tái)風(fēng)眼是一個(gè)直徑30～65千米的無(wú)風(fēng)地帶，是臺(tái)風(fēng)的中心。云墻圍繞臺(tái)風(fēng)眼，這里的風(fēng)力和降水最猛烈。從云墻延伸出的螺旋雨帶能帶來(lái)強(qiáng)降水，寬度從數(shù)千米到數(shù)十千米不等，總體長(zhǎng)度最長(zhǎng)可達(dá)500千米。