將波浪運(yùn)動轉(zhuǎn)化為電能作為一種可再生能源具有巨大潛力，但標(biāo)準(zhǔn)化原型的缺乏阻礙了相關(guān)技術(shù)發(fā)展。由密歇根大學(xué)工程學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了兩款小型波浪能轉(zhuǎn)換器原型，并配套推出標(biāo)準(zhǔn)化方法，旨在加速高質(zhì)量波浪能轉(zhuǎn)換器研究進(jìn)程。
該研究成果發(fā)表于《機(jī)械設(shè)計(jì)雜志》，合作者包括康奈爾大學(xué)、佐治亞理工學(xué)院和普林斯頓大學(xué)的研究人員。
密歇根大學(xué)機(jī)械工程助理教授、該研究資深作者M(jìn)aha Haji表示：“這是首次提出的波浪能轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)方法。擁有這一標(biāo)準(zhǔn)化方法將減少早期開發(fā)中的重復(fù)失誤，推動技術(shù)進(jìn)一步走向商業(yè)化�！�
為何開發(fā)利用波浪能?
與間歇性的風(fēng)能和太陽能不同，海洋波浪具有持續(xù)性和可預(yù)測性。據(jù)估算，僅美國海域的可開發(fā)波浪能資源若得以利用，便可滿足該國34%的電力消費(fèi)需求。
康奈爾大學(xué)機(jī)械工程博士生、該研究主要作者Olivia Vitale表示：“我們致力于利用廣闊的海洋資源為人類創(chuàng)造可持續(xù)能源。波浪能長期被忽視，它具有可預(yù)測性、持續(xù)性，且能量密度比風(fēng)能高100倍�，F(xiàn)在是將這項(xiàng)技術(shù)推進(jìn)至超越實(shí)驗(yàn)室測試階段的時機(jī)。”
多數(shù)風(fēng)力渦輪機(jī)外觀相似——一個高塔連接帶三片葉片的轉(zhuǎn)子——因?yàn)闃I(yè)界已趨于采用一種優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。而波浪能轉(zhuǎn)換器形狀和尺寸各異，設(shè)計(jì)知識常未被記錄或分散于不同機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致每次建造新原型時研究人員不得不重復(fù)基礎(chǔ)工作。
為向標(biāo)準(zhǔn)化方向努力，研究團(tuán)隊(duì)整合、梳理并驗(yàn)證了兩款小型波浪能轉(zhuǎn)換器原型：一款為隨波浪上下浮動的垂蕩點(diǎn)吸收器，另一款為繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)的振蕩浪涌波浪能轉(zhuǎn)換器。
原型設(shè)計(jì)步驟
研究團(tuán)隊(duì)整理并優(yōu)先排序了小型原型的設(shè)計(jì)步驟，以便在全尺寸設(shè)備投用前掌握系統(tǒng)物理特性。盡管可添加機(jī)械和電氣目標(biāo)，但最基本的步驟包括確定合適的流體物理特性、縮放比例、共振和系泊方式。
了解測試設(shè)施尺寸是任何原型設(shè)計(jì)的首要步驟，因?yàn)樗顣绊懖ɡ诵袨�、水動力力和模型縮放。在本研究中，俄勒岡州立大學(xué)O.H. Hinsdale波浪研究實(shí)驗(yàn)室允許的最大水深為137厘米。
考慮到設(shè)施限制及最能代表海洋參數(shù)的因素，研究人員采用了弗勞德縮放方法，這是一種在重力為主導(dǎo)力時用于縮放物理模型的方法。團(tuán)隊(duì)確定了1:50的比例，這意味著1米高的原型相當(dāng)于50米高的全尺寸設(shè)備。
確定了這些關(guān)鍵參數(shù)后，原型必須設(shè)計(jì)成與波浪產(chǎn)生共振，即運(yùn)動一致。最后，固定設(shè)備防止其漂走的系泊系統(tǒng)不得干擾設(shè)備的自然運(yùn)動。
克服小型原型限制
由于機(jī)械摩擦在小型原型中所占比例較大，因此必須最大限度地減少能量輸出機(jī)構(gòu)的摩擦，該機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)將波浪運(yùn)動轉(zhuǎn)換為發(fā)電所需的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
研究人員推薦使用齒輪齒條式能量輸出機(jī)構(gòu)以減少摩擦。齒輪齒條由一個固定齒輪或齒條與一個小齒輪嚙合組成，與汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用相同機(jī)制。
除摩擦外，電流測量分辨率也成為小型原型的限制因素。產(chǎn)生的功率通常在毫瓦級別，標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)控制器難以精確測量。
為解決這一問題，研究團(tuán)隊(duì)增加了可實(shí)時記錄電機(jī)電流的高度可編程控制器。展望未來，研究人員建議使用更高分辨率的傳感器，以進(jìn)一步減少測量誤差。
通過將分散的設(shè)計(jì)知識整合為統(tǒng)一的、開源的方法，研究團(tuán)隊(duì)為更嚴(yán)謹(jǐn)高效的實(shí)驗(yàn)室測試提供了藍(lán)圖。這一標(biāo)準(zhǔn)化方法將確保未來研究人員能夠?qū)Ｗ⒂趧?chuàng)新，而非解決常見的技術(shù)障礙。
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