從海浪中獲取雙倍能量！中國學(xué)者研發(fā)雙渦輪海浪能量轉換器，最大收獲功率達26.4兆瓦，五年內或實(shí)現商業(yè)化 | 專(zhuān)訪(fǎng)

近期，皇家墨爾本理工大學(xué)工程學(xué)院教授王旭聯(lián)合北航團隊開(kāi)發(fā)出一款雙渦輪波能轉換器，它能從海浪中獲得翻倍能量，從而讓海浪成為新型可再生電力能源。

圖 | 雙汽輪波能轉換器(來(lái)源：皇家墨爾本理工大學(xué))

王旭教授說(shuō)，海浪能是清潔、可靠和可再生能源中最有前景的來(lái)源之一。雖然在可再生能源市場(chǎng)中，風(fēng)能和太陽(yáng)能占據主導地位。但在使用過(guò)程中，風(fēng)能和太陽(yáng)能大概只有20-30%的時(shí)間可用。

據估計，全球每年沿海海浪沖擊力產(chǎn)生的能量約為 1TW，相當于地球上每年的發(fā)電量。因此，尚未得到完全開(kāi)發(fā)的海浪蘊藏著(zhù)巨大能量。

相比其他能源，海浪能源具有四大優(yōu)勢：其一能量密度高，其二受環(huán)境影響較小，其三海浪可被提前預測，其四海浪的平均可用時(shí)間為90%，遠超風(fēng)能和太陽(yáng)能。

但是相關(guān)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，復雜的海洋環(huán)境、以及有效利用率等問(wèn)題，讓海浪能量轉化為電能的研究，始終停留在實(shí)驗階段。

而王旭教授團隊此次發(fā)明的雙渦輪波能轉換器，其能量收集效率是目前同類(lèi)技術(shù)的兩倍，并克服了部分阻礙海浪能量進(jìn)行大規模應用的關(guān)鍵挑戰和瓶頸。

電力一旦產(chǎn)生之后，有兩種方式可將其輸送到電網(wǎng)：第一種是使用海底電纜連接到電網(wǎng);第二種是用電來(lái)電解海水并產(chǎn)生氫氣，而氫氣也可以用作能源。

圖 | 雙渦輪代替雙汽輪轉換器的原理圖(來(lái)源：Applied Energy)

當地時(shí)間 8 月 2 日，相關(guān)論文以《一種新型轉速放大雙渦輪波能量轉換器的研究》(Study of a novel rotational speed amplified dual turbine wheel wave energy converter)為題，發(fā)表在 Applied Energy 上，并重點(diǎn)介紹了一款雙渦輪波能轉換器，該團隊表示此前尚未誕生過(guò)類(lèi)似設計。

圖 | 相關(guān)論文(來(lái)源：Applied Energy)

總體積只有 0.29m³，最大收獲功率為 26.4 W

此前，較為常見(jiàn)的實(shí)驗方法是通過(guò)“點(diǎn)吸收器”的浮標式轉換器，來(lái)收集海浪能量。其原理是通過(guò)海浪的上下運動(dòng)去獲取能量，因此轉換器必須和海浪進(jìn)行精確同步的運動(dòng)，才能有效地收集能量。

圖 | 翻騰的海浪(來(lái)源：Pixabay)

而海浪具有復雜的運動(dòng)頻譜，其主要頻率會(huì )隨時(shí)間而變化，所以很難進(jìn)行精確同步。另外，浮標式轉換器還涉及到傳感器、制動(dòng)器和控制處理器的三方搭配，操作難度太高也會(huì )影響性能發(fā)揮。并且它的制備成本和安裝成本也比較高。

而王旭教授團隊設計的轉換器則避開(kāi)了上述缺點(diǎn)，它主要由水下雙渦輪、浮標和動(dòng)力發(fā)電系統三部分構成，并通過(guò)一個(gè)皮帶傳動(dòng)機構進(jìn)行連接，因為具有反轉雙渦輪分別連接電機的定子和轉子，因此發(fā)電機提供雙倍相對轉速。

其中，水下雙渦輪由上渦輪和下渦輪組成，每個(gè)渦輪都有六個(gè)扇形葉片。當渦輪被浮標拖動(dòng)時(shí)，每個(gè)葉片能以預設的葉片最大俯仰角度上下翻轉。

雙渦輪波能轉換器的總體積只有 0.29m³，在波幅為 80mm、頻率為 0.3Hz 的海浪激勵條件下，當外部電負載電阻與發(fā)電機內部電阻為 15.5 歐姆相匹配時(shí)，它的最大收獲效率是 11.57%，最大收獲功率是 26.4 W。

(來(lái)源：Applied Energy)

另外，上渦輪輪的配置和下渦輪輪相同，但鉸鏈軸方向相反，這使上下渦輪輪能夠相反地旋轉。

由于葉片的撲動(dòng)運動(dòng)，上渦輪輪或下渦輪輪可隨海浪起伏，從而可呈現出單向旋轉。在反旋轉運動(dòng)中，發(fā)電機的輸入速度也可被提高。而且，隨著(zhù)旋轉力矩的抵消，其穩定性也有所提升。

另?yè)?，雙汽輪波能轉換器的傳動(dòng)機構由內軸和外軸組成，外軸有兩個(gè)軸承來(lái)引導內軸的位置，從而讓上下渦輪機輪分別自由旋轉。而皮帶傳動(dòng)系統的正時(shí)皮帶輪齒數比為 1：4，這能把發(fā)電機輸入速度放大 4 倍。

該系統的創(chuàng )新之處在于，反向旋轉的渦輪葉輪分別通過(guò)皮帶傳動(dòng)系統，連接到發(fā)電機定子和轉子上，從而來(lái)加快發(fā)電機的轉速。這種設計還能讓動(dòng)力輸出系統，放置在水線(xiàn)以上的浮標內，而皮帶驅動(dòng)傳動(dòng)系統則能有效吸收海浪引起的負載波動(dòng)。

雙渦輪波能轉換器的工作原理

雙渦輪波能轉換器的工作原理如下，通過(guò)皮帶傳動(dòng)系統、將雙渦輪捕獲的機械能傳輸給發(fā)電機，并能通過(guò)提高輸入轉速來(lái)增強捕獲能力。

圖 | 原型技術(shù)的關(guān)鍵操作特征(來(lái)源：Applied Energy)

使用時(shí)，也無(wú)需和海浪同步運動(dòng)，因為設備始終會(huì )隨著(zhù)海浪上下浮動(dòng)，如此就能最大限度地利用收集到的波浪能量。

即便在發(fā)生雙渦輪相對位移的情況下，它也能連續驅動(dòng)發(fā)電機進(jìn)行發(fā)電。其上還有一條柔性定時(shí)皮帶輪，可吸收載荷波動(dòng)和海浪引起的沖擊。并且，它不需要潤滑油來(lái)進(jìn)行維護。

王旭教授表示：“我們獨特的反向旋轉雙渦輪波能轉換器原型機從海浪中獲得的輸出功率，比其他的點(diǎn)吸收器技術(shù)多出一倍。”

其中，發(fā)電機可放在水線(xiàn)以上的浮標中，這樣能避免受到海水侵蝕，從而延長(cháng)使用壽命。

(來(lái)源：Applied Energy)

如得到足夠投資資金支持，五年內有望實(shí)現商業(yè)化

為了預測反向旋轉雙渦輪波能轉換器的性能，該團隊提出了一個(gè)集總參數動(dòng)力學(xué)模型，其使用拉格朗日原理來(lái)進(jìn)行分析，并采用計算流體動(dòng)力學(xué)模擬來(lái)確定系統的阻力系數。從實(shí)驗結果來(lái)看，無(wú)需詳細模擬的高計算成本，即可實(shí)現準確的性能預測。

由于垂直阻力會(huì )帶來(lái)顯著(zhù)機械能量損失，因此水下體體積越小，垂直阻力也越小，如此就能提高能量收獲效率。

而實(shí)驗結果也表明，集總參數分析模型可用于轉換器的參數靈敏度分析、以及相關(guān)設計優(yōu)化。概括來(lái)說(shuō)，該團隊提出的方法可作為海浪能轉換器設計的有效工具之一。

(來(lái)源：Applied Energy)

王旭教授說(shuō)，從海浪中獲得能量，不僅可幫助減少碳排放，還能創(chuàng )造綠色能源就業(yè)新機會(huì )，并具有解決其他環(huán)境問(wèn)題的潛力。

例如，隨著(zhù)干旱頻率的增加，海浪能量可給碳中和海水淡化廠(chǎng)提供動(dòng)力，并能為農業(yè)提供淡水，很明顯這是應對氣候變化挑戰的明智之舉。

目前，相關(guān)技術(shù)已在實(shí)驗室成功進(jìn)行，下一步是擴大技術(shù)應用規模，并在真實(shí)海洋條件下測試。同時(shí)，他也希望尋找到相關(guān)企業(yè)，一起合作測試全尺寸模型，盡快實(shí)現商業(yè)化。其表示，如果有適當的支持，該設備可以在五年內實(shí)現商業(yè)化。

在王旭教授的領(lǐng)英上，他在 7 月份透露了新成果的部分信息，很快便有相關(guān)企業(yè)的工作人員給其留言。

下一步，他將提升該轉換器的參數靈敏度，也將利用雙體點(diǎn)吸收器的諧振和非諧振條件，來(lái)提高能量轉換性能。屆時(shí)誕生的器件，將是一個(gè)雙渦輪輪波能量轉換器和雙體點(diǎn)吸收器的混合體。

而談及此次和北航團隊合作的機緣，王旭教授告訴 DeepTech：“五年前我就和北航交通科學(xué)與工程學(xué)院劉獻棟教授相識并合作出版了一本學(xué)術(shù)專(zhuān)著(zhù)。我被北航邀請去講學(xué)。張輝教授和徐向陽(yáng)院長(cháng)分別來(lái)墨爾本訪(fǎng)問(wèn)了我。我們一起探討并實(shí)施了聯(lián)合指導博士后的方案。“

事實(shí)上這并非王旭教授首次和北航合作，他是一名 60 后科學(xué)家，祖籍江西省南昌市，博士畢業(yè)于澳大利亞莫納什大學(xué)。20 世紀 80 年代，他曾在北航 405 擔任研究人員。

此次擔任第一作者的肖含是北航博士后。其 2016 年博士畢業(yè)于皇家墨爾本理工大學(xué)工程學(xué)院，是王旭教授的學(xué)生。博士期間共發(fā)表五篇一區學(xué)報論文，博士論文題為《壓電振動(dòng)能量收獲器的研究》，最終以?xún)?yōu)異成績(jì)畢業(yè)，學(xué)成歸國后被北航錄用為博士后研究員。

回想此前，王旭曾在北航任職，如今他的學(xué)生也來(lái)到北航任職，這或許是兩代師生最好的“輪回”。