海底大風車

周期性的潮起潮落 ，大海里蘊藏著巨大能量。

深達數十米的海底，神奇的大風車，將帶給人們什么樣的驚喜？

2011年5月的一天，在山東省威海市的一個碼頭，一行數人正準備乘船出海。盡管海上霧蒙蒙的，但對他們而言，已算是不錯的天氣。（圖1）

王大政（哈爾濱工業大學教授）：今天天氣很好，沒有風浪，如果天氣惡劣，風狂浪大，行程就很艱難。

貌似平靜的大海其實喜怒無常，在臺風或海嘯慫恿下，它會顯得非常狂躁，那時一切變得非常可怕。

于華明（中國海洋大學博士）：船晃得有二、三十度。海面掀起白色的巨浪。船艙里凳子、椅子、桌子，大部分都翻倒了。

盡管如此，他們已在不同海域開展工作一年之久。兩人小心翼翼地將一種儀器放入海中，沒過多久，就得到一些反饋數據。

于華明：我們把探測器放到不同深度測量每一層海洋，顯示器則記錄、顯示出各層海流的大小和方向。（圖2）

王大政：需要大量海上測試工作，從中得到至少一年的水文資料，繪出它的潮汐流分布圖。

除此之外，更多精密測量儀器也被派上用場，它們甚至能夠在無人值守的情況下，在深達數十米的海底自動進行長時間、高分辨率的觀測。

于華明：在觀測一個月或者兩個月之后，對儀器進行回收，數據已保存其中。通過電腦跟儀器相連，把數據回收到庫中，進行數據的處理和分析。（圖3）

在進行了認真、緊張作業后，一行人又要趕往下一個觀測站點，他們正在進行的究竟是一項什么工作呢？

對于每一個在海邊出生和長大的孩子來說，大海從小就是生活中不可或缺的一部分，于華明是他們中的一個。高中畢業后，于華明報考了離家不遠的中國海洋大學，對熟悉的海洋開始了科學的學習。

海洋是生命的搖籃，它為地球上生命的誕生、進化和繁衍提供了條件，而人類的文明和進步同樣和海洋息息相關。隨著地球上能源的枯竭和科學技術的進步，人們已經不滿足于僅從海洋中獲取食物，也開始對它蘊藏的巨大能量產生興趣。

鮑獻文（中國海洋大學海洋環境學院副院長）：海洋每天都有漲潮、落潮的過程，是什么引起海水大面積來回這樣運動呢？歸根結蒂可以追溯到萬有引力。

由于受到月球、太陽等天體引力的作用，地球上的海水會出現周期性的潮汐現象：到了一定時間，海水就會逐漸上漲，從而達到高潮；而過后一段時間，上漲的海水又會自行退去，從而出現低潮，如此循環重復、永不停息。早在上世紀六、七十年代，在一些潮差較高的海域，人們利用較窄的灣口等有利地形修建攔海堤壩，當漲潮時，海水進入庫區蓄積，在落潮時就能夠利用水輪發電機組進行發電。

鮑獻文：江夏潮汐電站、白沙口潮汐電站，一直在正常工作。我國潮汐電站從工程建設到發電機組生產，都有比較好的基礎。

但是，潮汐能發電有明顯局限，除了在海里修建堤壩費用太高外，長時間使用會引起泥沙淤積，從而減少庫容。更重要的是，由于只能在每天固定的潮時發電，除非出現大潮，否則發電功率并不高，帶來的直接經濟效益也不明顯。

圖1 一行人準備出海

圖2 顯示器記錄、顯示測量數據

圖3 接收數據入庫供日后分析處理

人類對于能源的開發利用，是從比較簡單到比較復雜的過程。煤、石油、天然氣都易利用，因此被大量開采、大量使用。以至于到今天人們突然發現，這些資源接近用完。而對于像風能、太陽能、海洋能，明知它就在眼前，但是技術上非常難。采用現代技術把它利用起來，是一個由簡到難的過程。雖然潮汐能在上世紀七十年代以后，逐漸淡出能源領域，但人們還在想辦法，好利用海洋蘊藏的無盡能量。

在中國海洋大學度過七年時光后，于華明到德國漢堡大學攻讀博士學位。國外的先進理念，讓他受益匪淺。

于華明：新能源戰略已經作為德國一個非常重要的戰略。它希望到2020年可再生能源達到百分之十五的比例，2050年達到百分之二十以上的比例，這已經在發展戰略中明確提出。

全球能源枯竭已是非常嚴峻的現實。據統計，僅2009年全世界就消耗石油38.8億噸，天然氣2.94萬億立方米，煤炭65.6億噸。這些寶貴的天然資源不僅不能再生，消耗時還會產生大量二氧化碳，而海洋能則不存在這些問題。

鮑獻文：它有自己獨具的優點，一個它是可再生能，也就是說一直可以利用，取之不盡，用之不竭。再一個它是清潔能源或者低碳能源的利用形式。

海洋面積約占地球表面積的百分之七十一。專家認為，海洋能的總量大大超過陸地的可再生能源。更關鍵的是，全球的經濟發達區和電能消耗幾乎都集中在沿海地區。海洋能的開發不僅便于輸電，也能減少輸電損失。2010年，于華明回到中國海洋大學任教，他也逐漸找到自己的發展方向。

于華明：我覺得學理科的人，應該與工科與社會需求更好結合起來。將這種背景知識，應用在開發海洋的實際中。

一天，在威海市郊區的一條沿海公路旁，出現兩個人的身影。王大政在于華明的邀請下，兩人專門對海邊的風能發電進行考察。（圖4）

王大政：我國引進風能技術比較早，也比較多。在威海成山頭海邊有大量風能，應用效果也不錯。

作為一種可再生的清潔能源，風能越來越受到世界各國青睞。近年來，海上風能成了重中之重。2010年6月，經過四年的籌備、施工和安裝，我國也是亞洲的第一個大型海上風電項目——上海東海大橋十萬千瓦海上風電場開始并網發電，34臺3兆瓦的大風車面朝大海迎風取電，開啟了我國在海上索取風電的新紀元。（圖5）

于華明：海上風能，是市場化逐漸成熟的一個領域。在學習過程中，我們對海上風能的發展也非常關注，進行了相關研究。

但這些巨大的風車并不是兩人最終的目標，他們真實的想法，聽起來讓人有些不可思議。

于華明：只是介質不同，只是把風力發電機放在水中，利用水流的特點來發電，我們是學海洋的，希望把成熟的風力發電機技術，在海洋中得到進一步的應用。

他們計劃設計一種類似的大風車，只不過它們不是豎立在空中，而是被安放在數十米深的海底，能夠帶動它們運轉并且產生能量的也不再是風能，而是潮流的涌動。

一字之差，可有天壤之別。前面說的是潮汐發電，現在說的是潮流發電，別看指的都是潮，但幾乎是兩個概念。怎么理解呢？潮汐能，是指漲潮落潮，也就是垂直運動方向的能量，它是伴隨星體引力等造成的現象，利用的實際上是勢能。潮流能，是大海一蕩一蕩推過來的力量，某種程度上講，它利用的是動能。雖然都是大海的能量，但利用的方法不一樣。因此，要想利用潮流能，就不能是潮汐能電站那種方式。

雖然聽起來有些突發奇想，實際上長期從事海洋學研究的于華明已經有了充分的積累。

于華明：我做了全球海洋潮汐潮流的數值模擬工作，不光中國近海的潮汐潮流，包括全球海洋的潮汐潮流，都有一定的相關資料和一定的了解。

英國是世界上最早研究潮流能發電的國家之一，而王大政不僅曾長期在英國從事螺旋槳和水下潮流渦輪葉片的設計與實驗研究， 并在國際上首先建立了潮流渦輪模型實驗的相似定律。（圖6）

王大政：因為已有這樣的技術，非常高興參與這個項目，進一步提高我國的海洋技術。

圖4 沿海公路出現兩個人的身影

圖5 上海10萬千瓦海上風能電場

即使在國外，潮流發電也僅僅是經過了理論研究，模型和樣機的實驗，國外同行也在摸索中，他們又該從哪入手呢？

于華明：首先要為潮流發電機的設計提供必要的選址，可再生能源都是跟具體的地點相對應的，每一個地點的潮流資源和可再生能源的資源特征是不同的，要為潮流發電機的設計，提供必要的水文參數。

要獲取這種參數就必須經過大量的現場觀測，并且通過數值模擬技術進行水文環境的模擬，一年多來，項目組成員在海上展開了非常細致的調查工作。

于華明：希望潮流能滿足潮流發電機的設計要求，一是額定流速1.3米/秒，啟動流速30厘米/秒以上。二是水深要在 20米以上，在20到30米的范圍之內。

在確定威海、青島附近一些海域的同時，項目組也開始了潮流發電機的設計工作。由于水的密度是風的832倍，即使是同等大小的風速和水速，水流的力量也要大得多，因此牢固穩定的結構非常重要。

于華明：首先參照了較為成熟的風力發電機結構。其次水下潮流發電機一個最大的特點就是它的可靠性和穩定性。

王大政：風電的風車靠一個巨大的支架支撐。在海上安裝這個支架，成本占了百分之三十，非常高。潮流發電機采用的是座機式，就是坐在海底的，減少了安裝成本。

2011年5月，在哈爾濱工業大學威海校區實驗室里，王大政正在帶領學生進行一項非常重要的檢測。

王大政：這個非常小的渦輪，是整個葉輪的關鍵部件，它將水的動能轉化成電能。因此它的設計正確與否，關系到整個渦輪設計質量。

整個設計是一個非常嚴謹的過程，在用理論方法設計出潮流渦輪的葉片后，將葉片按比例縮小，使它能在實驗水槽里進行測試，測量它的各種參數是否與設計相一致。一旦模型實驗與理論設計的誤差被控制在百分之一到百分之二，潮流渦輪便達到了設計要求。不過，這僅是按十分之一縮小的水槽模型，真正的模型實驗將在另一實驗室進行。一旦準備完畢，潮流渦輪模型將在大型試驗水槽里反復實驗，盡量控制精度誤差，最終達到設計要求。（圖7）

王大政：要反復通過實驗驗證理論設計，確保它的正確性。設計錯誤將導致后期包括發電設備等等都不對，所以這是很關鍵的部分。

但是，水槽中僅能產生一個方向的流場，與真實的潮流還有一定區別。在近海，潮流的運動是以復流的形式存在，漲潮時向岸邊運動，落潮則朝著相反方向退去。

于華明：為了能夠在盡量長的時間里利用潮流的能量，潮流發電機設計成漲潮時發電，落潮時也能發電。

也就是說，當潮流改變方向時，發電機必須有一個轉向機構，這樣才能確保渦輪發電方向始終和流向一致，而這也正是整個設計上最難的部分。

王大政：接到項目后，感到困難大一點的是如何雙向的問題。不改變渦輪的方向，通過設計一個雙向發電的葉輪來解決這個難題，這在國內外還沒有先例。

經過長時間理論研究和大量實驗論證后，一種全新的能夠雙向發電的葉輪終于設計出來，無論是漲潮還是退潮，它都能夠轉動并且直接驅動發電機，將動能轉換成電能，這在世界上都屬于先進水平。

一比一的10千瓦樣機正在緊張制作中，在大型實驗室進行檢測后，下一步將直接安放到海底。根據設計，它的葉片直徑為7米，高度達到15米，一臺就能滿足10戶人家的日常所有用電。（圖8）

于華明：目前我國示范性工程的潮流發電機，有500千瓦、600千瓦的，它可以供五六百戶人家、一千多人的日常用電。對于一般的海島，或者一般的漁村，一臺潮流發電機，就能提供他們的日常生活和生產用電。

利用海洋潮流的推動能力進行發電的裝置，雖然還有很多方面需要改進，但已成為國家首批海洋再生資源項目之一。它不僅指明了未來能源發展的方向，對于那些遠離大陸的島嶼來說，有著實實在在的好處。有這樣一套獨立的系統，島上居民的生活、生產會有很大改觀。這項技術將越來越多地為人們提供可再生的、清潔的海洋能源。（圖9）

圖6 王大政在國際上首先建立了潮流渦輪模型實驗的相似定律

圖7 縮小的渦輪葉片在水槽里測試

圖8 “大風車”安裝在海底示意圖

圖9 未來的海洋能電場