海浪发电:从海牛到海蛇

　　小满前后，青岛多雾。雾气最重时恰恰也是槐花盛开的时节。浓雾蒙蒙中不时飘来阵阵花香，耳畔时时传来“哞－哞－”的声音。那声音低沉而悠远，大街小巷全听得到。那是“海牛”又在叫了。 　　青岛人所说的“海牛”，是雾笛或雾号的俗称，因其声音极像老牛的吼叫。过去的船舶没有雷达或定位系统，大雾中能见度低，只能听凭海上的雾笛声指引航道，借以避免触礁或彼此碰撞。 　　 　　从雾笛到浮筒发电机 　　 　　雾笛是1898年由法国人弗勒特切尔发明的。那是一个圆柱状大浮筒，飘在海面上，再以锚系在海底。浮筒中有个弹性大气囊，气囊上带有开口向上的气门嘴，嘴上安装一个号角。每当大浪冲来，大气囊被海浪压缩，其中的空气被迫从气门嘴排出，便吹响了号角；大浪过去，气囊外面没了压力，气囊弹起，又重新吸入空气膨胀起来。如此反复吸气排气，号角就间歇发出一声又一声“哞-哞-”的呼号。 　　如今，船上多安装了先进的雷达或卫星定位系统，雾笛基本从海上消失了。然而，雾笛的原理被日本人发扬光大，并移植到浮筒发电机中去了。 　　1964年，日本人益田善雄制造成功了世界上第一台自动航标灯，以灯光指示船舶的航行。航标灯由一台浮筒发电机供电，发电机的基本原理与雾笛并无区别。甚至可以不客气地说，那台浮筒发电机简直就是雾笛的改装――在气囊上加装一台发电机，利用反复膨胀、收缩的力驱动发电机发电，再点亮浮筒上的灯，仅此而已!如此巧妙地借鉴和移植，令人不能不感叹发明者的聪明才智。 　　浮筒发电的航标灯有可再生的能源为保障，永无断电之虞。无须消耗任何燃料或资源，又无污染，因而很快在世界各地推广。 　　在自动航标灯制造成功之后，日本人并未停住脚步。1978年，世上最大的一座浮筒式发电装置又耸立在海上。日本海洋科技中心联合美、英、加拿大等国制造了一个长80米、宽12米的无底船式大“浮筒”，名曰“海明”号。“海明”号以13个振荡水柱气室代替了气囊，用于带动3台25千瓦的两阀式涡轮发电机组，其最大输出功率曾经达到150千瓦。1979年，“海明”号进行了第二期实验，装设了8台机组，总装机容量为2000千瓦。 　　试验显示，“海明”号的整体结构、锚泊装置及海底电缆设计基本成功，但总效率并不理想，只有6.5％。不过，这台大型浮筒发电装置的试验大大推动了各种海浪发电机的开发设计。 　　 　　形形色色的海浪发电机 　　 　　由于海浪的能量都集中在海面附近，50米深度下波浪就很小，这使海浪成为高度集中的能量源。不经意间，世界各国已经形成了一股海浪发电机设计热。目前设计的海浪发电机多达数百种。笔者上网查了查，至今年4月底，仅在中国申请专利的就有166项。 　　当然，其中绝大部分没有试制过，有的也未必可行。 　　除了上述浮筒武外，比较成功的还有海底浮子式、海岸连杆式、振荡浮子后弯管式、振荡水柱式、爱丁堡鸭式、V形导槽聚波式和海蛇式等多种，各有千秋。其中，以环礁导流武等的设计较为奇特。 　　英国AWS海洋能源公司试制的海底浮子式海浪发电机固定于海底，以电缆与陆上的配电站连接。每个发电机的外壳都是一个套筒状浮子。海面上波峰袭来时，浮子上方的水深增大，它承受的压力随之加大，浮子便被压下。波峰过去后即是波谷，水深降低压力减小，浮子受弹力作用便浮起。依靠浮子的上下运动，即可驱动发电机发电。 　　目前世界上最成功的海浪发电机当推英国建造的苏格兰“猫贝”。“猫贝”位于大西洋中的艾斯雷岛上，装机容量500千瓦，已经并入电网。“猫贝”是海岸连杆式，发电部分固定在岸上。以大西洋的海浪推动采能板进退，采能板再通过连杆驱动发电机。 　　以色列能源与海水淡化有限公司则在迦法海岸建造了一家发电厂。依靠精心的设计，这家发电厂的性价比异常优异。其效率可达75％，每度电的成本只有2美分。投资也少，建设一个1000千瓦发电厂的投资只需65万美元。发电设备的动力来自采能板及连杆，大体上也是海岸连杆式。 　　爱丁堡鸭式海浪发电机是爱丁堡大学的工程师斯蒂芬-索尔特发明的。这个装置构思巧妙，像只鸭子，胸部迎着海浪。大浪来时，“鸭子”胸部被冲起，头部高高翘着。大浪过后，胸部下落，头也低下。一起一落之间，就像“鸭子”在摇摆点头。“鸭子”屁股上装有凸轮连杆机构，将上下摆动转变为转动，给发电机以动力。 　　V形导槽聚波式海浪发电属于奇思――在海中建一座V形墙，V字的开口面向波浪。波浪向V形尖角涌来时，水位迅速提高，漫过尖角时便可借势能发电。 　　环礁导流武海浪发电与前面提到的一种相比，则属于妙想――在海中建一个大型环礁，进入环礁的海水急速旋转，即可带动水轮机发电。不过人工环礁工程浩大，还要非常坚固，不能被巨浪冲毁，建造起来有些难度。 　　目前最理想的还是海蛇式发电机，由英国海洋电力设备公司研制。欧洲海洋能源中心建造的样机容量达750千瓦。现在英国哥斯波特进行了水域测试，预计未来5年内完全规模的设计将面世。 　　“海蛇”是一条长8米、直径0.32米的橡胶管，前端系在立柱上，立柱固定在海底。橡胶管中充满淡水，整体密封。涡轮发电机安装在“蛇尾”。“海蛇”在海中随波逐流，海浪拍打“蛇身”就产生了压力。压力由橡胶管的涨缩传递至尾部，迫使涡轮旋转发电机发电。这种海浪拍打形成的压力类似于电流通过人体，使人们在手腕和脖颈处感觉到电流。当每一个膨胀波抵达橡胶蛇末端时，将为涡轮提供旋转动力，从而产生电能。 　　完全尺寸大小的“海蛇”发电机长度将达到200米，摇曳在海中有点怪怪的。不过，这条怪蛇所产生的电能足以向1000个家庭供电，将比目前所有海浪发电机产生更多的电能。 　　这种发电装置是以橡胶为主的材料制成，类似于制造弹性拖曳容器的材料。除了涡轮之外，巨蟒发电机再没有其他可移动部件，并不像其他海浪发电装置需要将绳索系在海底。“海蛇”的设计者称，这种最新装置采取成本较低的工程费用，并有效降低了维护费用，与之相比在海岸造价高昂的发电装置更容易受到腐蚀和产生其他问题。 　　2008年，迷你型“海蛇”发电机进行了测试，预计第一款完全设计的“海蛇”发电机可在2014年开始运行。 　　 　　优势和难题同在 　　 　　随着燃料价格上涨和对清洁绿色能源需求的增长，新型海浪发电技术愈加诱人。波浪发电的潜在优势显而易见，其诱人之处至少有以下5点： 　　能量巨大。波浪能包括海洋表面波浪所具有的动能和势能，与波高的平方、波浪的周期以及迎波面的宽度成正比。其功率还与风速、风向、风持续的时间、波浪流速等有关。有人经过大体估算，全世界海浪的总功率约为700亿千瓦，每年的总能量相当于22×1017焦耳。可开发利用的至少也有25亿千瓦，大约相当于目前全世界总发电量的2.5倍。每平方米海浪可提供的能量比风力高4倍，能满足500倍于今的全球人口的用电需求。波浪发电为全球价值约数十亿美元的电力短缺提供了一种解决办法。 　　可再生，源源不断。只要太阳仍然在天空照耀，地球照样转动，月亮依然存在，波浪能就永远不会消失。可谓取之不尽，用之不竭。 　　无需消耗煤、油、水、铀等燃料或资源，几乎可以称为无米之炊。 　　没有污染，没有废水、废气、废渣排放，是世上最清洁的能源之一。 　　分布最广泛，可在远离陆地的海岛、钻井平台、海洋开发中心、国防设施等常规能源难以供应之处供电，得天独厚。 　　然而，海浪如同一匹难以驯服的烈马，在具有诸多优势的同时也给人类带来许多难题。 　　客观地说，迄今为止，最成熟、最可靠、用量最大的海浪发电机还是航标灯用的浮筒发电机。因此，世人至今没有忘记消失了的雾笛。它所发出的悠远低音仿佛在提醒我们：海浪发电任重而道远。(文章代码：1309) 　　 　　责任编辑　赵菲