完整記錄強臺風“蘇拉”，“觀海一號”是怎么做到的
2023 年 9 月 2 日，第 9 號臺風“蘇拉”沿著廣東沿海海域一路向西發(fā)展，“蘇拉”過境珠海海域期間，海面最大風力達到 18 級超強臺風等級，風速達到 61.5 米/秒，在海面掀起了 5 到 6 米高的巨浪，海洋氣象預報部門發(fā)布了海浪紅色預警，海上的許多結(jié)構(gòu)物遭到了重大損壞。
此時，位于珠海市東澳島北側(cè)約 1.5 公里的“觀海一號”波浪能供電觀測平臺，也面臨著“蘇拉”的威脅。
“觀海一號”投放運行
“蘇拉”臺風過境后的“觀海一號”
“觀海一號”臺風前后的對比，圖片來源：中國科學院廣州能源研究所
“觀海一號”位于“蘇拉”超強臺風路徑珠海的中心，但它不僅成功抵御臺風危害，還全程錄得超強臺風“蘇拉”過境期間相關海洋觀測數(shù)據(jù)和實海況視頻，完整記錄了超強臺風在途經(jīng)該區(qū)域的生成、發(fā)展和消退過程，獲得了寶貴的實況數(shù)據(jù)和視頻資料。
“蘇拉”即將到來時“觀海一號”錄得的海面大浪視頻截圖，圖片來源：中國科學院廣州能源研究所
“蘇拉”經(jīng)過珠海海域時掀起的滔天巨浪（波浪已經(jīng)淹沒了上部平臺），圖片來源：中國科學院廣州能源研究所
“觀海一號”是如何做到姿態(tài)穩(wěn)定的？
“觀海一號”是一臺以波浪能供電為主、太陽能作為補充，給海洋觀測儀器供電的海洋浮標平臺。該平臺高約 14 米，直徑 6 米，吃水 8 米，采用 4 點錨泊系統(tǒng)，保證了平臺在大浪下不會走錨，同時為安裝水下儀器設備提供了便利，裝置的錨泊線不會與水下儀器電纜纏繞。
“觀海一號”平臺還設置壓載系統(tǒng)，通過壓載系統(tǒng)調(diào)節(jié)平臺的吃水，保證了平臺在海洋中具有穩(wěn)定的姿態(tài)，即使在大浪下，平臺姿態(tài)依然很穩(wěn)定。這些設計使得“觀海一號”成功地抵御了 2023 年夏季數(shù)個臺風的襲擊，除了第九號臺風“蘇拉”外，還經(jīng)歷了第四號臺風“泰利”。
圖4觀海一號全貌（圖片來源：中國科學院廣州能源研究所）
“觀海一號”還有哪些“神通”？
“觀海一號”除了具有優(yōu)秀的抗臺風能力外，還具備優(yōu)秀的電力供應能力，其利用海洋中波浪能為平臺的觀測系統(tǒng)供電。
該套波浪能供電系統(tǒng)的關鍵在于采用了鷹式波浪能俘獲及液壓能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，基于中國科學院廣州能源研究所多年在波浪能技術(shù)研究的成果，將鷹式波浪能吸波浮體與海洋平臺結(jié)合，形成了整個觀測平臺的外形，利用鷹式吸波浮體與平臺的相對運動，將波浪能轉(zhuǎn)換為吸波浮體的機械能，內(nèi)部安裝液壓能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將吸波浮體的機械能高效穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換成液壓能，最后推動永磁發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，將液壓能轉(zhuǎn)換成交流電并通過整流逆變等電力變換過程儲存至蓄電池。
鷹式吸波浮體，液壓能量轉(zhuǎn)換及電力變換系統(tǒng)艙， “觀海一號”的三維模型示意圖，物理模型試驗圖，圖片來源：中國科學院廣州能源研究所
此外，為了彌補在波浪較小時，波浪能發(fā)電系統(tǒng)功率供給不足的問題，該平臺還安裝了太陽能作為補充，確保平臺上的觀測儀器每時每刻都有穩(wěn)定充足的電力供應。
“觀海一號”正是因為有充足的電力供給，因此搭載了許多海洋觀測儀器，不僅可以觀測海面，如水上視頻、氣象參數(shù)據(jù)（包括風速、風向、溫度、輻射等）、環(huán)境參數(shù)，還能觀測海水中的一些參數(shù)（如波浪、海流等）和視頻數(shù)據(jù)，如下圖所示的是“觀海一號”安裝在水下觀測東澳海洋牧場魚群生長情況的視頻。
“觀海一號”搭載的水下觀測系統(tǒng)傳輸?shù)乃卖~群活動視頻截圖，圖片來源：中國科學院廣州能源研究所
因此，“觀海一號”具備進行空中、水面、海底立體觀測的能力，并可以通過無線網(wǎng)絡開展數(shù)據(jù)通訊，將觀測的數(shù)據(jù)和視頻實時傳輸，下圖為“觀海一號”的數(shù)據(jù)實時顯示系統(tǒng)的畫面。此外，“觀海一號”還設置了許多電壓等級的備用接口，包括380V/220V/48V/24V/12V 等，方便外加更多不同種類的觀測設備。
圖7 “觀海一號”海洋觀測數(shù)據(jù)實時顯示的畫面（圖片來源：中國科學院廣州能源研究所）
海洋占據(jù)著地球 70% 的面積，是人類生產(chǎn)生活資料的重要來源地，要想更好的開發(fā)海洋資源，必須要深入地認識海洋、探索海洋，而海洋觀測是認識海洋、探索海洋的必要手段，但目前制約海洋觀測走向深遠海的一個最為關鍵問題是各類觀測設備的能源供給短缺，導致海洋觀測難以走向深遠海，難以長時間、不間斷、大范圍地對海洋進行觀測。
中國科學院廣州能源研究所針對目前海洋觀測領域存在著的電力供給短缺問題，提出了利用波浪能等海洋可再生能源為海洋觀測設備供電的新路徑，并陸續(xù)研發(fā)出了包括“觀海一號”“海聆號”“海星號”等多個系列的波浪能供電裝置，供電功率覆蓋了 100W-10kW，以滿足不同海域不同觀測儀器設備的電力需求，實現(xiàn)了海能海用、就地獲能就地使用海洋觀測原位供電新模式，為我國的海洋觀測事業(yè)提供能源保障。
廣州能源所研制的波浪能供電海洋觀測浮標（左中分別是 750W、150W 海聆號浮標、右是海星號浮標），圖片來源：中國科學院廣州能源研究所
策劃制作
作者丨葉寅 中國科學院廣州能源研究所
出品丨科普中國
監(jiān)制丨中國科普博覽
責編丨林林
