科技前沿：從颶風裡偷能量

說到最具破壞性的自然災害，颶風當之無愧。颶風登陸後，強風掀翻屋頂，強雨會引發洪澇災害，所到之處都會變成一片廢墟。比如美國歷史上損失最慘重和最致命的颶風——卡特里娜颶風，雖然以小型颶風強度登陸，但仍造成最少750億美元的經濟損失，以及1836人喪生，705人下落不明。

雖然颶風的破壞力非常驚人，堪稱「惡魔」。但這個「惡魔」並非只會搗亂，因為颶風也是一個龐大的「能源庫」。據計算，一個颶風可以產生600萬億瓦特的能量，相當於全世界一年所能生產的總能量的200倍。所以，只要人類利用好了，「惡魔」也同樣會造福人類。那麼，科學家們該怎麼樣利用這些破壞力巨大，行蹤又很詭異的熱帶氣旋呢？

大部分颶風的能量以熱能的形式存儲，隨著水蒸氣蒸發凝結成雨後釋放。目前，以人類的科技水平還無法利用颶風的熱能。

颶風產生的另外一部分能源是風能，雖然只佔到颶風產生能量的百分之一，但研究者預計颶風能創造約合241千米/時的風速，這也是一個相當可觀的潛在清潔能源。現在，已經有一些新發明能利用颶風的風能。

改進風力發電機

一種方法是改進風力發電渦輪機。傳統的風力發電機由方向固定的三個巨型葉片組成，用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。但在颶風天中，過快的轉速以及無法預測的風向會使得葉片容易斷裂。所以，當颶風或者颱風到來時，為了減少損失，渦輪機會被鎖住並停止能源生產。即使如此，颱風對傳統風力渦輪機的損壞也是毀滅性的。2013年，一場颱風就毀掉了日本沿海16颱風力發電機，而颱風天兔登陸廣東汕尾紅海灣時，造成當地風電場8個渦旋機倒塌，另有8個損壞。

現在，日本的一個企業家改進了傳統的葉片渦輪機，消除了它的脆弱性，發明了全世界第一台颱風渦輪機。

這台渦輪發電機形似一個巨大的放風箏的繞線板，主體是兩頭用Y形架固定的三個圓柱體，中間與地面的直立軸連接，這樣不僅能夠適應任何方向的風，不易被折斷，而且充分利用了馬格努斯效應。馬格努斯效應說的是當旋轉體置於流體中時，隨著與旋轉體的摩擦，流體一側的流動加速，而另一側相反，呈現流動變慢狀態。這種流速的不同會產生壓力差，在與流體的流動垂直相交的方向上產生作用力。藉助馬格努斯效應產生的推力，帶動颱風渦輪機的葉片旋轉，三個葉片共同轉動，最終會帶動垂直軸轉動來發電。

同時，垂直軸還能控制葉片速度，無論外力有多強，只要垂直軸收緊葉片，葉片的轉速就會變慢，或是完全靜止，這樣可以避免颱風天氣葉片旋轉速度失控。在一般情況下，這台颱風渦輪機可以達到大約30%的效能，傳統的風力發電機雖然能達到40%，但在颱風天氣不能正常運行。

2011年3月福島核電站事故發生之前，日本計劃將在2020年實現核電佔一次能源利用比例60%，事故發生之後，日本約84%的能源得依靠進口。發明者認為當這樣的颱風發電機投入使用後，只需一次颱風，就能產生日本50年所需的電力。2016年，全球首個颱風渦輪發電機被安裝在日本沖繩。

颶風「擋箭牌」

在美國佛羅里達國際大學的國際研究中心，有一個颶風風力試驗室。走進試驗室，你將會看到全球最大的颶風模擬設備——風牆。風牆很高，由兩層疊加在一起的風扇組成，每個風扇直徑約1.6米，一共12個，每個風扇都由一個700馬力的發動機供電。這個8400馬力系統泵送的最大風速可達每小時約合256千米，相當於5級颶風。

最初，佛羅里達國際大學的研究者只是想通過試驗改進在颶風猛烈襲擊中崩塌的建築設計和材料，包括從釘子、屋頂板到屋頂的空調裝置等眾多細節。不過，最近研究者並不想止步於此，他們設計了一套新發明：在抗擊颶風的同時，還可以發電。

颶風吹向建築物時，受建築物的阻擋，風會向上流動，形成漩渦。漩渦一面旋轉，一面迅速移動，會撕裂瓷磚和屋頂板。並且快速吹過屋頂的空氣漩渦和屋內的空氣會產生一個氣壓差，形成一個向上的升力，掀翻整個屋頂。而科學家發明的這個裝置像螺旋槳的渦輪機那樣很長，可以安裝在整座建築的屋檐或排水槽上，這樣當颶風衝擊建築物時，可以利用其產生的強大空氣漩渦，同時減弱空氣漩渦的損害威力。

除了減少風力對建築物的撞擊，渦輪機還可以蓄積電能,當一個家庭遭遇停電級別的風暴後，渦輪機產生的電力可以維持這個家庭幾天的電力供應。現在，這套設備仍處於測試階段,如果未來研發成功，將不僅能利用颶風的風能，也能利用每小時時速十幾千米「微風」。未來，藉助這種技術，每個家庭將可能實現電能自給自足，不用等待城市電網供電。

浮標也能發電

颶風不僅會在陸地上肆虐，它們在海洋中也會掀起滔天大浪。2011年8月27日，颶風「艾琳」抵達美國東海岸，美國政府很早之前就下令疏散幾百萬居民。和人類慌不擇待地撤離相比，有一個設備卻被提前放置到了颶風會經過的海域，直面滔天巨浪，它就是PB3能量浮標。

PB3能量浮標高達１４.３米，重達1萬噸，可以放置在深度為２０米～１千米的海洋上，由厚鋼板、單柱式平台、浮子等配件構成。

普通一點的水上浮標被用作航標標誌，用以標示航道範圍、指示淺灘等。當颶風經過時，科學家們會通過裝有感測器的浮標來研究和跟蹤颶風並測定颶風的速度。那麼，PB3是如何發電的呢？

PB3發電機制充分利用了機械動能。在海浪的作用下，浮子會沿著單柱式平台上下浮動，這種運動會驅動單柱式平台里的電力發動機產生電能。同時，用錨系連著配電站基底的厚鋼板會保證PB3不會被風浪吹走，並通過水下的電纜供應電能給周圍的海上設備，電能也能被存在單柱式平台所攜帶的電池裡。這些電池可以存儲44～150千瓦時的電量，當電池充滿電時,多餘的能量會自動以熱能的形式釋放。

當颶風「艾琳」經過時，處於「風口浪尖」的PB3不僅抵抗住了十幾米的巨浪，而且還保持正常運轉，每小時都會向陸地實驗室發送關於自己生產的電力及其他數據報告。

現在PB3能量浮標還只能為海上設備，如石油鑽井平台、船舶或海底監測設備發電。2010年，PB3的研發公司與美國海軍在夏威夷演示了PB3直接連接到陸地電網，為電網輸送電力。不過，為電網供應電力的技術現在還不太成熟。

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