水呼啸而过，溅起泡沫。但这艘“船”是固定在海底的，它实际上是一个1.5兆瓦的潮汐能发电机。
由西班牙公司开发Magallanes Renovables在美国，ATIR平台有两个涡轮机淹没在湍急的河水中警惕之落位于奥克尼群岛伊代岛南部。该设备是在一个看似偏远的环境中使用的一项尖端可再生能源技术，但它远非这里唯一的一项。就在100米开外，还有另一个亮黄色的潮汐能发电机O2由轨道海洋动力．在其他地方，还有波浪能转换器和风力涡轮机。陆地上有更多的风力涡轮机，用于生产“绿色”氢气的电解槽，以及充分利用天然气的基础设施。
这一切的核心是欧洲海洋能源中心自2003年成立以来，该公司一直在努力将这个位于北部的群岛转变为海洋可再生能源的全球领导者。现在，奥克尼为未来提供了一个模式。这里正在进行的工作可能会对英国乃至全世界的可再生能源产生巨大影响。
奥克尼人的节奏
从奥克尼岛上空的云层中，大海融化在视野中，就像一个光滑的蓝色桌面，但它的外观是欺骗性的。环绕着70个岛屿的海峡和天然港口是不列颠群岛上一些流动最快、波涛汹涌的水域的所在地。
比利亚克罗(Billia Croo)是Emec并网波浪能试验场的所在地，平均波浪高度为2-4米，最高纪录为20米。麦哲伦和轨道公司正在测试他们设备的警告之落，潮汐流峰值为4米/秒。在涨潮高峰期，每小时有5亿吨的水流经过这里。
今天，当我们从大陆(已知的最大岛屿)乘船前往试验场时，几乎看不到这种原始元素能量的迹象。我们的船很容易地在平稳的水面上滑过。然而，当我们进入潮流时，船突然开始倾斜和翻滚——轻轻地，但很明显。
ATIR平台采用风能和海洋工业的成熟技术，旨在最大限度地从巨大和可预测的潮汐中获取能量，同时尽量减少麻烦。
ATIR平台在快速流动的瀑布水域中三个月内产生了100MW的电量
Magallanes Renovables于2009年作为一个衍生研发项目开始，于2019年将其4200万米的全尺寸原型机带到警告之秋，并于2020年在三个月内产生100兆瓦的电量。当我们9月份访问该平台时，该公司正计划重新连接电网，并在今年剩余时间开始发电。
当我们接近机器时，控制工程师哈维尔·格兰德说:“我们产生的第一兆瓦特非常令人兴奋。”“当你在平台上开始发电时，平台开始移动一点，就像在潮流中冲浪一样，这是一种奇怪的感觉……但你看，我们正在发电，向电网输送电力。”
我们从船上跳到平台上，尽量不去理会下面潺潺的流水，然后环顾甲板。在山顶上，没什么可看的。带有摄像头和定位仪器的通信桅杆是最高的物体，而11kV电缆的末端表明这不仅仅是一个实验。
一端是一个孔，通过这个孔放了一个电流表。该团队利用电流的速度和涡轮机的直径来计算出预期的功率输出。据报道，他们实现了50%的效率，理论最大值为59%。
来自Magallanes Renovables的Pablo Carpintero和Javier Grande在ATIR平台上
平台的秘密隐藏在下面，通过一个舱口和梯子。一层甲板全长，里面有大量的电气设备——开关、变压器、转换器、继电器和控制系统都在这里。
真正的奇迹发生在海面以下15米处，在一个舵形的桅杆下面，它帮助维持平台在水中的位置。在底座上，两个反向旋转的涡轮机前后伸展，彼此相距约20米。
中空桅杆提供直接访问的动力系统，而机器是在到位。涡轮可以向任意方向转动，慢轴的转速最高可达16转/分，齿轮箱可将转速提高100倍。
麦哲伦公司的工程师可以在岸上控制机器，但控制系统是自行设计的。在使用时，它会改变参数，如涡轮叶片角度(改变旋转速度)和压载水的分布(保持平台水平)。
在这样一个新领域工作绝非易事。格兰德说:“这很令人沮丧，因为你每走三步，就得落后两步。”例如，第一根系泊缆绳在平台上造成了太大的振动，而强烈的潮汐破坏了平台原有的缆绳。“我们一直在失败，然后开发新的解决方案。”
现在，该团队正在测试和分析控制系统，并旨在再次证明该设备的电网就绪能力。他们专注于提高技术的竞争力和成本效益，以鼓励政府投资。例如，涡轮机的直径可以增加，以从较慢的水域获取更多的能量，而预测性维护将最大限度地减少前往潮汐地点的昂贵船只旅行。
新一波
回到大陆上的柯克沃尔后，穿过地峡就能到达斯卡帕湾在南方。它是Emec规模波浪测试场的所在地，是一个由五个岛屿庇护的巨大天然港口。
前往Mocean能量的波能转换器，在水中的差异立即明确。在阳光照射下，它看起来更像雕刻的矿物。坚固的海浪是岛屿间海洋能量系统的齿轮。
经过颠簸颠簸的旅程，我们到达了Blue X设备。和潮汐机一样，这个20米长的半比例原型被漆成亮黄色，以便在海浪和不时出现的灰色大雾天气中脱颖而出。
Mocean Energy的Blue X设备
这台重达38吨的机器完全在苏格兰建造，由两个主要部分组成，由一个巨大的铰链连接。它的前臂面向海浪，铲子一样的部分伸入水下4米，尽可能多地将水的能量通过装置。它有一个小甲板，有一个通讯桅杆和入口舱口，还有两个太阳能电池板装置中的一个。它的后臂要小得多，在水下还有一个像勺子一样的延伸。
当波浪沿着机器的长度传播时，它的浮力迫使它在铰链周围弯曲——一次在峰值处，一次在波谷处，旋转±20º，但容纳更多的运动。这种相互运动通过变速箱，在那里它被旋转到更高的速度，并馈送到交流发电机。
Blue X是计划中的公用事业规模机器“蓝色地平线”的前身，它是用生成式设计来找到最佳形状的。它的大小是针对比Scapa Flow更恶劣的条件，并且该地点只偶尔提供适当的波浪，但这足以让团队产生电力并进行测试。
Mocean创始人兼技术总监克里斯·雷茨勒(Chris Retzler)表示，商业设备将按比例调整，以适应所在地区的海浪。该公司认为，离网和远程应用将是最有前途的，蓝色设备将为沿海社区或企业、环境监测、甚至石油和天然气平台提供电力，因为化石燃料公司试图将排放降至最低。
克里斯·雷兹特勒在蓝色X号甲板上
例如，明年Mocean将参加海底电力的可再生能源由阿伯丁的净零技术中心和几家石油和天然气公司资助。该项目将在奥克尼岛东海岸部署Blue X，并将“脐带”连接到海底滑道，为油气控制模块和自主水下航行器提供动力。但雷茨勒和Mocean的联合创始人卡梅伦·麦克纳特认为，未来还可以进行大型公用事业规模的部署，将几十个兆瓦级的设备连接在一起。
“当我们达到公用事业规模时，我们看到它实际上与海上风能结合在一起，”麦克纳特在他的办公室说。“海上风能正在向离岸更远的地方发展，你将得到漂浮的海上风能。它们也是海浪的好环境。”
风浪联合农场可以最大限度地从海洋中获取能源，降低总成本。
麦克纳特说:“另一个好处是，波浪是由风产生的，但本质上，在风能通过给定位置和波浪能之间有一个相位滞后。”“你会遇到一场穿越海洋的风暴，你会在岸边获得波浪能或风能……但几天后，你会得到更大的膨胀，从电网的角度来看，这也是非常有用的，因为这样你就能提供更稳定的能源供应。”
该公司还热衷于将太阳能电池板集成到设备上，当我们参观Blue X时，它有两套电池板。不幸的是，它们被海鸟覆盖了——在鸟的下面，有一个小问题。麦克纳特说:“我们现在谈论鸟屎的次数比我想象的要多。”“这是一个真正的挑战。”
在斯卡帕码头与雷茨勒交谈时，这些剃刀鸟和海鸠看起来根本不像未来可再生能源基础设施的潜在威胁。它们像微型充气气球一样膨胀着，在港口的浅水上轻轻踩着踏板，时不时地优雅地潜入水中寻找午餐。
波浪还是潮汐的问题出现了。雷茨勒说:“有如此多的区域可以收集波浪能，所以它不局限于潮汐能所处的非常小的合适位置。”“海洋表面是广阔的。”
然而，当谈到政府的支持时，潮汐似乎更受欢迎。Retzler说:“就像潮汐能源一样，wave也需要收入支持，相当于差额合同类型的资金，我们需要对早期项目的支持，使它们达到商业规模。”
高峰和低谷
后来，我和Emec董事总经理尼尔·克莫德一起，从位于斯特罗姆内斯赫瑞瓦特大学校园的中心总部，前往位于比利亚克罗(Billia Croo)或比利亚斯佩(Billia Spew)的与电网相连的波浪能试验场。
“接下来，”克莫德指着地平线说，“就是加拿大。”这样的距离，加上从西边吹来的强风，带来了巨大的海浪。
2001年，在政府的科学和技术委员会之后，高地和岛屿企业开始为海洋能源测试中心寻找位置时，如此合适的“波浪状态”使比利亚克罗和奥克尼成为明显的选择。两年后，Emec成立。
从那时起，该中心已经测试了来自11个国家21个开发人员的32台机器。随着时间的推移，他们在基础设施上花费了3600万英镑，但为英国经济提供了约3.06亿英镑的“总附加值”。
作为世界上唯一的波浪和潮汐能设备并网测试实验室，Emec旨在确保设备安全、可靠、环保且值得投资。它通过向客户提供有关其设备性能的报告来做到这一点。
Kermode说，经过多年的测试，效率已经提高了，特别是在潮汐方面。这在一定程度上要归功于制造更大设备的公司——第一批机器提供约0.25兆瓦，而Orbital O2提供2兆瓦。涡轮机正变得越来越复杂，变距叶片最大限度地提高了可提取的能量。
来自Emec的Neil Kermode在比利亚克罗的波浪试验场变电站
可靠性也有所提高，这在很大程度上要归功于向表面安装机器的转变。技术人员可以很容易地找到一艘船，跳到涡轮机上，并进行必要的维护，使其上线。对于安装在海底的涡轮机，这样直接的维护是不可能的。
克莫德说:“你需要让这些机器做它们在罐头上说的事情，不是一次，而是以一种持久的方式。”“这是另一个重要方面，不是严格意义上的数学表现，而是实际上的耐力。”
机会的海洋
甚至在海洋可再生能源充分发挥潜力之前，这些岛屿就已经有了一个独特的问题——它们产生的风能太多，电网无法处理。这限制了可以增加的新容量，阻碍了新的海上设备的安装。
Emec的解决方案是双重的——首先是参与能源系统项目，如反射该公司部署了数百块国产电池和纯电动汽车，打造了一个“虚拟发电厂”。
第二种是氢，它提供了一种储存多余能量以备以后使用的方法。该中心的电解槽使用可再生能源将水转化为氧气和氢气，然后用于各种用途——例如，柯克沃尔码头上的一个大型燃料电池为停靠在港口的渡轮提供电力。氢也用于Eday和Shapinsay的锅炉。氢燃料汽车有一个加油点。Hyseas III项目旨在开发世界上第一艘海上氢动力客运渡轮，Emec甚至与ZeroAvia和其他合作伙伴合作，探索跳岛氢动力航班。
氢气有效地关闭了这个循环，将可再生能源、电网、运输和供暖结合在一起，形成一个可持续的系统。这是一种可能为英国指明前进道路的方法。
在柯克沃尔燃料电池旁边，Emec研发工程师詹姆斯·弗格森说，奥克尼“就像一个微型版本”——“一个拥有优秀可再生资源和有限电网的地方，这可能是英国在几十年后可以期待看到的一个路标。”
Emec测试地点在奥克尼附近
有了这样的专业知识，以及支持它的结果，Emec完全适合领导全英国对海洋可再生能源的投资。在政府最近的支持机制中，人们比过去四五年更多地承认了潮汐流能量，这让人感到乐观。
尼尔·克莫德说:“我们只需要确保英国充分利用我们所知道的资源。”“有时候，向政府解释这一点有点困难，他们今天需要投资，明天才能有所作为。”
大胆的政策和接受创新技术可以减少排放，增加出口，并提供数以千计的绿色就业机会，Emec展示了一个具有未来思维的工程主导项目可以为当地社区带来什么。当我们从潮汐点返回时，斯特罗姆内斯出生的船长桑迪·加尔布雷斯说:“这对奥克尼来说非常非常好，尤其是斯特罗姆内斯。苏格兰的许多其他城镇都存在吸引年轻人或为他们提供工作的真正问题。在奥克尼，我们真的很幸运，情况并非如此，可再生能源是一个重要因素。”
这种成功可以在其他地方复制，但克莫德警告说，如果没有足够的投资，英国可能会落后。他表示，加拿大已经吸引了至少两家来自英国的开发商，Emec正在与法国、俄勒冈州、纽约、日本和智利的团队合作。“智利有5000个社区没有通电，”他说。“目前有5000组人使用柴油发电机。我们可以找到一种方法，如果不能把它们关掉，也可以把它们关掉。你不能说‘这样就能解决问题’，但如果你能去掉90%，那么剩下的10%就容易解决得多。”
现在比以往任何时候都更加清楚，应对气候变化没有什么灵丹妙药。但是，由于苏格兰北部海岸的一些专门工作，我们可能很快就会有一系列黄色设备准备做出巨大贡献。
本文原载于《专业工程》2021年第6期。请务必在整个星期(11月29日至12月3日)访问专业工程网站，以获取更多的能量岛故事和采访。
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