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从海浪中获取双倍能量!中国学者研发双涡轮海浪能量转换器,最大收获功率达26.4兆瓦,五年内或实现商业化 | 专访

2021-08-19 08:15:53 DeepTech深科技   作者: 多加  

近期,皇家墨尔本理工大学工程学院教授王旭联合北航团队开发出一款双涡轮波能转换器,它能从海浪中获得翻倍能量,从而让海浪成为新型可再生电力能源。

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图 | 双汽轮波能转换器(来源:皇家墨尔本理工大学)

王旭教授说,海浪能是清洁、可靠和可再生能源中最有前景的来源之一。虽然在可再生能源市场中,风能和太阳能占据主导地位。但在使用过程中,风能和太阳能大概只有20-30%的时间可用。

据估计,全球每年沿海海浪冲击力产生的能量约为 1TW,相当于地球上每年的发电量。因此,尚未得到完全开发的海浪蕴藏着巨大能量。

相比其他能源,海浪能源具有四大优势:其一能量密度高,其二受环境影响较小,其三海浪可被提前预测,其四海浪的平均可用时间为90%,远超风能和太阳能。

但是相关开发过程中,复杂的海洋环境、以及有效利用率等问题,让海浪能量转化为电能的研究,始终停留在实验阶段。

而王旭教授团队此次发明的双涡轮波能转换器,其能量收集效率是目前同类技术的两倍,并克服了部分阻碍海浪能量进行大规模应用的关键挑战和瓶颈。

电力一旦产生之后,有两种方式可将其输送到电网:第一种是使用海底电缆连接到电网;第二种是用电来电解海水并产生氢气,而氢气也可以用作能源。

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图 | 双涡轮代替双汽轮转换器的原理图(来源:Applied Energy)

当地时间 8 月 2 日,相关论文以《一种新型转速放大双涡轮波能量转换器的研究》(Study of a novel rotational speed amplified dual turbine wheel wave energy converter)为题,发表在 Applied Energy 上,并重点介绍了一款双涡轮波能转换器,该团队表示此前尚未诞生过类似设计。

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图 | 相关论文(来源:Applied Energy)

总体积只有 0.29m³,最大收获功率为 26.4 W

此前,较为常见的实验方法是通过“点吸收器”的浮标式转换器,来收集海浪能量。其原理是通过海浪的上下运动去获取能量,因此转换器必须和海浪进行精确同步的运动,才能有效地收集能量。

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图 | 翻腾的海浪(来源:Pixabay)

而海浪具有复杂的运动频谱,其主要频率会随时间而变化,所以很难进行精确同步。另外,浮标式转换器还涉及到传感器、制动器和控制处理器的三方搭配,操作难度太高也会影响性能发挥。并且它的制备成本和安装成本也比较高。

而王旭教授团队设计的转换器则避开了上述缺点,它主要由水下双涡轮、浮标和动力发电系统三部分构成,并通过一个皮带传动机构进行连接,因为具有反转双涡轮分别连接电机的定子和转子,因此发电机提供双倍相对转速。

其中,水下双涡轮由上涡轮和下涡轮组成,每个涡轮都有六个扇形叶片。当涡轮被浮标拖动时,每个叶片能以预设的叶片最大俯仰角度上下翻转。

双涡轮波能转换器的总体积只有 0.29m³,在波幅为 80mm、频率为 0.3Hz 的海浪激励条件下,当外部电负载电阻与发电机内部电阻为 15.5 欧姆相匹配时,它的最大收获效率是 11.57%,最大收获功率是 26.4 W。

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(来源:Applied Energy)

另外,上涡轮轮的配置和下涡轮轮相同,但铰链轴方向相反,这使上下涡轮轮能够相反地旋转。

由于叶片的扑动运动,上涡轮轮或下涡轮轮可随海浪起伏,从而可呈现出单向旋转。在反旋转运动中,发电机的输入速度也可被提高。而且,随着旋转力矩的抵消,其稳定性也有所提升。

另据悉,双汽轮波能转换器的传动机构由内轴和外轴组成,外轴有两个轴承来引导内轴的位置,从而让上下涡轮机轮分别自由旋转。而皮带传动系统的正时皮带轮齿数比为 1:4,这能把发电机输入速度放大 4 倍。

该系统的创新之处在于,反向旋转的涡轮叶轮分别通过皮带传动系统,连接到发电机定子和转子上,从而来加快发电机的转速。这种设计还能让动力输出系统,放置在水线以上的浮标内,而皮带驱动传动系统则能有效吸收海浪引起的负载波动。

双涡轮波能转换器的工作原理

双涡轮波能转换器的工作原理如下,通过皮带传动系统、将双涡轮捕获的机械能传输给发电机,并能通过提高输入转速来增强捕获能力。

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图 | 原型技术的关键操作特征(来源:Applied Energy)

使用时,也无需和海浪同步运动,因为设备始终会随着海浪上下浮动,如此就能最大限度地利用收集到的波浪能量。

即便在发生双涡轮相对位移的情况下,它也能连续驱动发电机进行发电。其上还有一条柔性定时皮带轮,可吸收载荷波动和海浪引起的冲击。并且,它不需要润滑油来进行维护。

王旭教授表示:“我们独特的反向旋转双涡轮波能转换器原型机从海浪中获得的输出功率,比其他的点吸收器技术多出一倍。”

其中,发电机可放在水线以上的浮标中,这样能避免受到海水侵蚀,从而延长使用寿命。

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(来源:Applied Energy)

如得到足够投资资金支持,五年内有望实现商业化

为了预测反向旋转双涡轮波能转换器的性能,该团队提出了一个集总参数动力学模型,其使用拉格朗日原理来进行分析,并采用计算流体动力学模拟来确定系统的阻力系数。从实验结果来看,无需详细模拟的高计算成本,即可实现准确的性能预测。

由于垂直阻力会带来显著机械能量损失,因此水下体体积越小,垂直阻力也越小,如此就能提高能量收获效率。

而实验结果也表明,集总参数分析模型可用于转换器的参数灵敏度分析、以及相关设计优化。概括来说,该团队提出的方法可作为海浪能转换器设计的有效工具之一。

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(来源:Applied Energy)

王旭教授说,从海浪中获得能量,不仅可帮助减少碳排放,还能创造绿色能源就业新机会,并具有解决其他环境问题的潜力。

例如,随着干旱频率的增加,海浪能量可给碳中和海水淡化厂提供动力,并能为农业提供淡水,很明显这是应对气候变化挑战的明智之举。

目前,相关技术已在实验室成功进行,下一步是扩大技术应用规模,并在真实海洋条件下测试。同时,他也希望寻找到相关企业,一起合作测试全尺寸模型,尽快实现商业化。其表示,如果有适当的支持,该设备可以在五年内实现商业化。

在王旭教授的领英上,他在 7 月份透露了新成果的部分信息,很快便有相关企业的工作人员给其留言。

下一步,他将提升该转换器的参数灵敏度,也将利用双体点吸收器的谐振和非谐振条件,来提高能量转换性能。届时诞生的器件,将是一个双涡轮轮波能量转换器和双体点吸收器的混合体。

而谈及此次和北航团队合作的机缘,王旭教授告诉 DeepTech:“五年前我就和北航交通科学与工程学院刘献栋教授相识并合作出版了一本学术专著。我被北航邀请去讲学。张辉教授和徐向阳院长分别来墨尔本访问了我。我们一起探讨并实施了联合指导博士后的方案。“

事实上这并非王旭教授首次和北航合作,他是一名 60 后科学家,祖籍江西省南昌市,博士毕业于澳大利亚莫纳什大学。20 世纪 80 年代,他曾在北航 405 担任研究人员。

此次担任第一作者的肖含是北航博士后。其 2016 年博士毕业于皇家墨尔本理工大学工程学院,是王旭教授的学生。博士期间共发表五篇一区学报论文,博士论文题为《压电振动能量收获器的研究》,最终以优异成绩毕业,学成归国后被北航录用为博士后研究员。

回想此前,王旭曾在北航任职,如今他的学生也来到北航任职,这或许是两代师生最好的“轮回”。




责任编辑: 李颖

标签: 双涡轮 海浪能量转换器

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