风能：曙光与风险-科学传奇·海上的隐秘行动

2024-10-07 理论教育版权反馈

【摘要】：风车的巨大能量潮汐为人类的能源危机以及环境污染带来了一片曙光，然而有得必有失，潮汐和波浪带来的风险也一再让人类却步。据估计，到达地球的太阳能中虽然只有大约2%转化为风能。全球的风能约为2.74亿兆瓦，其中可利用的风能为2 000万兆瓦，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。每根支架所承担的重量大约为1300吨。即便是风平浪静，人们也能够利用蕴藏量巨大的海洋能源。

风车的巨大能量

潮汐为人类的能源危机以及环境污染带来了一片曙光，然而有得必有失，潮汐和波浪带来的风险也一再让人类却步。尽管海洋能源无穷无尽而且分文不取，但是安装和保养大型发电机组的成本却惊人地昂贵。

事情总是表现出它的两面性，工程越大，承担的风险也就越高。但是如果问题得到解决，其回报也将非常惊人，人类对风能的开发利用就是这样。

风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动，形成风。据估计，到达地球的太阳能中虽然只有大约2%转化为风能。但其总量仍然十分可观。全球的风能约为2.74亿兆瓦，其中可利用的风能为2 000万兆瓦，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

人类利用风能的历史可以追溯到公元前，但数千年来，风能技术发展缓慢，没有引起人们足够的重视。然而自1973年世界石油危机以来，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的一种才重新有了长足的发展。风能作为一种无污染和可再生的新能源，有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。即使在发达国家，风能作为一种高效清洁的新能源也日益受到重视。

在距丹麦海岸20千米处的霍恩礁，风力发电站正源源不断地为当地居民提供电力。那里是大陆海岸线一带的多风区，是名副其实的21世纪风车的乐园。

同英国布里斯托尔海峡的水下风车相比，这些叶片长达40米的风车动力更为强劲，足以满足1800个家庭的日常用电。

丹麦人也很清楚风力发电的危险。哪里有风和电，哪里就有危险。狂暴肆虐的大海瞬息万变，人类还很难掌握它的变化规律。

2001年初，丹麦着手完善风力发电的细节问题，包括架设输送电力的铁塔以及让铁塔与国家电网相连接等一些困扰工程技术人员很久的难题。和安装水下涡轮机一样，架设风车也是风力发电的第一步。这些复杂的构架重量能够达到450吨，而且必须架设在有风的地方。

企业家库尔特·汤姆森提出了一个奇妙的解决方案：他在一艘丹麦集装箱船上安装了四根可伸缩、可调整的支架，创造了一个世界上最强大的海洋四足动物，即修建一艘重达3000吨的船。这种船就是他们的安装船，它足以运载两架风车。现在，他们利用起重机对这个装置进行一年一度的测试，以便确认它能否安全地离港工作。

每架风车都由两部分构成：一部分是发动机盒子以及三个转子叶片，两个叶片固定在海滨，安装船则要驶入深海。实际上，早在4年前他们就在寻找这个问题的解决方案，即怎样才能让大型风力涡轮初浮出水面。

在安装近海涡轮机方面，起重机和安装船是两个重要设备。

每根支架所承担的重量大约为1300吨。从理论上讲，起重机足以吊起其中的一根支架，甚至是整艘船只，但他们不用这么做。

他们的甲板上有两台不同的起重机。白色的水力提升机最初是一台集装箱起重机，它的提升重量大约是40吨，运载半径15米。蓝绿相间的主起重机，实际上是一台履带式起重机，提升重量大约为450吨。这原本是一台陆基起重机，后来因为工作需要才被运到了这里。

船只驶离港口的时候，其他工人要为铁塔安装实体地基。他们把重达200吨的巨型钢管——固定在海底，然后又环绕了一圈漂砾，以防被腐蚀。(www.chuimin.cn)

即使海面风平浪静，要安装近海风力发电机也需要14个熟练工人工作1天。其中还必须有一个人爬进半组装好的铁塔，把里面的螺栓一一固定。在这个过程中，他们需要的高强度防锈螺栓多达90个，还需要一把特殊设计的气动扭力扳手。

在距离海岸20千米处的霍恩礁，丹麦人1年才建造80架风车，可见这项工程有多么困难。风车造好后，安装队接下来就要将这些海洋电力顺利传输到千家万户，以及如何避免在洋底架设密集的电线网络，因为这很容易遭到渔网或船锚的破坏。

为此，丹麦人特意在洋底建造了一个超过400平方米的大型变电站，然后铺设海底电缆，以便电力传输。

这个强大的近海风力发电站已累计为丹麦国家电网输送了160兆瓦的电力。它能满足15万个丹麦家庭的日常用电。如果库尔特·汤姆森的梦想能实现，那么有朝一日，丹麦的每个城镇和乡村都会因此而受益。

丹麦的这一计划源于海岸线的恒定风向。即便是风平浪静，人们也能够利用蕴藏量巨大的海洋能源。

海洋电力最终点亮了丹麦人美好的梦想。而在北海的奥克尼群岛海岸，一条奇异的“红蛇”随波浪的涌动蜿蜒起伏。这就是英国著名的“海蛇”号波力发电装置，也是当今世界上最大的“电鳗”。

这个波力发电装置大约有120米长，直径为3.5米。从表面看，这个装置足有4节火车车厢那么长。当然要想获得清洁的海洋能，还需要建造一定的辅助装置。

马克斯·卡尔克斯是“海蛇”工程最热心的拥护者之一。他正在大力倡导开展“海蛇”号波力发电装置计划，他认为这是获取海洋能源最直接、最有效的方法。在马克斯看来，“海蛇”号远比丹麦海岸20千米外的巨型风车更实用，他有一套自己的理论：“首先，前期工作无需在现场进行。波力发电装置建好之后，直接运到架设地点，然后用系泊用具固定即可。另外，波力发电装置的维修也相对简便，我们可以用快速固定系统将装置拖至遮蔽水域，所有的维修活动都可以在这里进行。当然，这还需要一台标准5吨重的起重机。”

在爱丁堡的停泊处，“海蛇”号波力发电装置遭遇了福斯河湾潮水的剧烈冲击。不管天气好坏，它都会不停地工作。

将装置固定之后，它会自由摇摆，与波浪发生冲撞。这就好像是旗杆上的旗帜或者是抛锚的船只。“海蛇”号是漂浮式的、由多个圆柱形钢壳结构单元交接而成的波能装置，它的作用就在于将波能转化成机械能，然后再转化为电能。

这个装置一共有三个模组，它的构成也各不相同。活塞与金属管和模组相连，当金属管和模组产生运动的时候，一个活塞受压，另一个活塞就会伸张出来。电力就源自这些大活塞。液压水锤泵由密闭水箱和可移动的活塞构成。在利用波能方面，液压水锤泵效率极高。

福斯河湾波浪的波峰间隔时间为10秒，距离100米。虽然波浪冲击活塞的速度很慢，能量却十分巨大。即便是速度低于每秒1米，活塞也能传输最大抽吸功率。

这个装置不仅仅只在这里适用，还可以适用于不同的海域，不管是风高浪急还是风平浪静，它本身都能识别。因此，技术人员会基于海洋的变化，采用不同的方式激活四个水锤泵。它的额定发电量为750千瓦，但并不恒定，因为发电量与海浪关系密切。平均来说，它大约可以满足600个英国家庭的日常用电。显然，一个庞大的海洋电力工程包括若干类似的装置。40个类似的装置便相当于一个发电量为30兆瓦的现代风力发电厂，但所占面积仅为1平方千米，不及风力发电厂的1/4。也就是说，占地1平方千米的发电装置所提供的电力，足以满足2.4个英国家庭的日常用电。

“海蛇”号的未来取决于它提供的能源是否实惠。或许这种能源比其他能源更清洁，但是如果成本过高，前途将十分渺茫。

风能：曙光与风险-科学传奇·海上的隐秘行动

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