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(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一款雙渦輪波能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jù)主導(dǎo)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(jù)估計(jì)，全球每年沿海海浪沖擊力產(chǎn)生的能量約為 1TW，相當(dāng)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(yùn)藏著巨大能量。

相比其他能源，海浪能源具有四大優(yōu)勢(shì)：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(yù)測(cè)，其四海浪的平均可用時(shí)間為90%，遠(yuǎn)超風(fēng)能和太陽(yáng)能。

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

而王旭教授團(tuán)隊(duì)此次發(fā)明的雙渦輪波能轉(zhuǎn)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(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)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(zhuǎn)換器的原理圖(來(lái)源：Applied Energy)

當(dāng)?shù)貢r(shí)間 8 月 2 日，相關(guān)論文以《一種新型轉(zhuǎn)速放大雙渦輪波能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，該團(tuán)隊(duì)表示此前尚未誕生過(guò)類(lèi)似設(shè)計(jì)。

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(yàn)方法是通過(guò)“點(diǎn)吸收器”的浮標(biāo)式轉(zhuǎn)換器，來(lái)收集海浪能量。其原理是通過(guò)海浪的上下運(yùn)動(dòng)去獲取能量，因此轉(zhuǎn)換器必須和海浪進(jìn)行精確同步的運(yùn)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(fù)雜的運(yùn)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(biāo)式轉(zhuǎn)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(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器則避開(kāi)了上述缺點(diǎn)，它主要由水下雙渦輪、浮標(biāo)和動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)三部分構(gòu)成，并通過(guò)一個(gè)皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接，因?yàn)榫哂蟹崔D(zhuǎn)雙渦輪分別連接電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子，因此發(fā)電機(jī)提供雙倍相對(duì)轉(zhuǎn)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(dāng)渦輪被浮標(biāo)拖動(dòng)時(shí)，每個(gè)葉片能以預(yù)設(shè)的葉片最大俯仰角度上下翻轉(zhuǎn)。

雙渦輪波能轉(zhuǎn)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(lì)條件下，當(dāng)外部電負(fù)載電阻與發(fā)電機(jī)內(nèi)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(zhuǎn)。

由于葉片的撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)，上渦輪輪或下渦輪輪可隨海浪起伏，從而可呈現(xiàn)出單向旋轉(zhuǎn)。在反旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，發(fā)電機(jī)的輸入速度也可被提高。而且，隨著旋轉(zhuǎn)力矩的抵消，其穩(wěn)定性也有所提升。

另?yè)?jù)悉，雙汽輪波能轉(zhuǎn)換器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由內(nèi)軸和外軸組成，外軸有兩個(gè)軸承來(lái)引導(dǎo)內(nèi)軸的位置，從而讓上下渦輪機(jī)輪分別自由旋轉(zhuǎn)。而皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)的正時(shí)皮帶輪齒數(shù)比為 1：4，這能把發(fā)電機(jī)輸入速度放大 4 倍。

該系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于，反向旋轉(zhuǎn)的渦輪葉輪分別通過(guò)皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)，連接到發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子上，從而來(lái)加快發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種設(shè)計(jì)還能讓動(dòng)力輸出系統(tǒng)，放置在水線以上的浮標(biāo)內(nèi)，而皮帶驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)則能有效吸收海浪引起的負(fù)載波動(dòng)。

雙渦輪波能轉(zhuǎn)換器的工作原理

雙渦輪波能轉(zhuǎn)換器的工作原理如下，通過(guò)皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)、將雙渦輪捕獲的機(jī)械能傳輸給發(fā)電機(jī)，并能通過(guò)提高輸入轉(zhuǎn)速來(lái)增強(qiáng)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(yùn)動(dòng)，因?yàn)樵O(shè)備始終會(huì)隨著海浪上下浮動(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(duì)位移的情況下，它也能連續(xù)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)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(rùn)滑油來(lái)進(jìn)行維護(hù)。

王旭教授表示：“我們獨(dú)特的反向旋轉(zhuǎn)雙渦輪波能轉(zhuǎn)換器原型機(jī)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(jī)可放在水線以上的浮標(biāo)中，這樣能避免受到海水侵蝕，從而延長(zhǎng)使用壽命。

(來(lái)源：Applied Energy)

如得到足夠投資資金支持，五年內(nèi)有望實(shí)現(xiàn)商業(yè)化

為了預(yù)測(cè)反向旋轉(zhuǎn)雙渦輪波能轉(zhuǎn)換器的性能，該團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)集總參數(shù)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(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬來(lái)確定系統(tǒng)的阻力系數(shù)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，無(wú)需詳細(xì)模擬的高計(jì)算成本，即可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的性能預(yù)測(cè)。

由于垂直阻力會(huì)帶來(lái)顯著機(jī)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(yàn)結(jié)果也表明，集總參數(shù)分析模型可用于轉(zhuǎn)換器的參數(shù)靈敏度分析、以及相關(guān)設(shè)計(jì)優(yōu)化。概括來(lái)說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)提出的方法可作為海浪能轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)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(jī)會(huì)，并具有解決其他環(huán)境問(wèn)題的潛力。

例如，隨著干旱頻率的增加，海浪能量可給碳中和海水淡化廠提供動(dòng)力，并能為農(nóng)業(yè)提供淡水，很明顯這是應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)的明智之舉。

目前，相關(guān)技術(shù)已在實(shí)驗(yàn)室成功進(jìn)行，下一步是擴(kuò)大技術(shù)應(yīng)用規(guī)模，并在真實(shí)海洋條件下測(cè)試。同時(shí)，他也希望尋找到相關(guān)企業(yè)，一起合作測(cè)試全尺寸模型，盡快實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。其表示，如果有適當(dāng)?shù)闹С郑撛O(shè)備可以在五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)換器的參數(shù)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(zhuǎn)換性能。屆時(shí)誕生的器件，將是一個(gè)雙渦輪輪波能量轉(zhuǎn)換器和雙體點(diǎn)吸收器的混合體。

而談及此次和北航團(tuán)隊(duì)合作的機(jī)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(xiàn)棟教授相識(shí)并合作出版了一本學(xué)術(shù)專(zhuān)著。我被北航邀請(qǐng)去講學(xué)。張輝教授和徐向陽(yáng)院長(zhǎng)分別來(lái)墨爾本訪問(wèn)了我。我們一起探討并實(shí)施了聯(lián)合指導(dǎo)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(jì) 80 年代，他曾在北航 405 擔(dān)任研究人員。

此次擔(dān)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(qū)學(xué)報(bào)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(jī)畢業(yè)，學(xué)成歸國(guó)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”。