將波浪運動轉(zhuǎn)化為電能作為一種可再生能源具有巨大潛力，但標準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)的研究團隊設(shè)計了兩款小型波浪能轉(zhuǎn)換器原型，并配套推出標準化方法，旨在加速高質(zhì)量波浪能轉(zhuǎn)換器研究進程。
該研究成果發(fā)表于《機械設(shè)計雜志》，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)機械工程助理教授、該研究資深作者Maha Haji表示：“這是首次提出的波浪能轉(zhuǎn)換器設(shè)計方法。擁有這一標準化方法將減少早期開發(fā)中的重復(fù)失誤，推動技術(shù)進一步走向商業(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%的電力消費需求。
康奈爾大學(xué)機械工程博士生、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)在是將這項技術(shù)推進至超越實驗室測試階段的時機�！�
多數(shù)風(fēng)力渦輪機外觀相似——一個高塔連接帶三片葉片的轉(zhuǎn)子——因為業(yè)界已趨于采用一種優(yōu)化的標準化設(shè)計。而波浪能轉(zhuǎn)換器形狀和尺寸各異，設(shè)計知識常未被記錄或分散于不同機構(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。
為向標準化方向努力，研究團隊整合、梳理并驗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)計步驟
研究團隊整理并優(yōu)先排序了小型原型的設(shè)計步驟，以便在全尺寸設(shè)備投用前掌握系統(tǒng)物理特性。盡管可添加機械和電氣目標，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)計的首要步驟，因為水深會影響波浪行為、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波浪研究實驗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。團隊確定了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)計成與波浪產(chǎn)生共振，即運動一致。最后，固定設(shè)備防止其漂走的系泊系統(tǒng)不得干擾設(shè)備的自然運動。
克服小型原型限制
由于機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構(gòu)的摩擦，該機構(gòu)負責(zé)將波浪運動轉(zhuǎn)換為發(fā)電所需的旋轉(zhuǎn)運動。
研究人員推薦使用齒輪齒條式能量輸出機構(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，標準電機控制器難以精確測量。
為解決這一問題，研究團隊增加了可實時記錄電機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，以進一步減少測量誤差。
通過將分散的設(shè)計知識整合為統(tǒng)一的、開源的方法，研究團隊為更嚴謹高效的實驗室測試提供了藍圖。這一標準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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