從海浪中獲取雙倍能量！中國學者研發雙渦輪海浪能量轉換器，最大收穫功率達26.4兆瓦，五年內或實現商業化 | 專訪
近期，皇家墨爾本理工大學工程學院教授王旭聯合北航團隊開發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（來源：皇家墨爾本理工大學）
王旭教授說，海浪能是清潔、可靠和可再生能源中最有前景的來源之一。雖然在可再生能源市場中，風能和太陽能佔據主導地位。但在使用過程中，風能和太陽能大概只有20-30%的時間可用。
據估計，全球每年沿海海浪衝擊力產生的能量約為 1TW，相當於地球上每年的發電量。因此，尚未得到完全開發的海浪蘊藏著巨大能量。
相比其他能源，海浪能源具有四大優勢：其一能量密度高，其二受環境影響較小，其三海浪可被提前預測，其四海浪的平均可用時間為90%，遠超風能和太陽能。
但是相關開發過程中，複雜的海洋環境、以及有效利用率等問題，讓海浪能量轉化為電能的研究，始終停留在實驗階段。
而王旭教授團隊此次發明的雙渦輪波能轉換器，其能量收集效率是目前同類技術的兩倍，並克服了部分阻礙海浪能量進行大規模應用的關鍵挑戰和瓶頸。
電力一旦產生之後，有兩種方式可將其輸送到電網：第一種是使用海底電纜連線到電網；第二種是用電來電解海水併產生氫氣，而氫氣也可以用作能源。
圖 | 雙渦輪波能轉換器的原理圖（來源：Applied Energy）
當地時間 8 月 2 日，相關論文以《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，發表在 Applied Energy 上，並重點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類似設計。
圖 | 相關論文（來源：Applied Energy）
總體積只有 0。29m³，最大收穫功率為 26。4 W
此前，較為常見的實驗方法是透過“點吸收器”的浮標式轉換器，來收集海浪能量。其原理是透過海浪的上下運動去獲取能量，因此轉換器必須和海浪進行精確同步的運動，才能有效地收集能量。
圖 | 翻騰的海浪（來源：Pixabay）
而海浪具有複雜的運動頻譜，其主要頻率會隨時間而變化，所以很難進行精確同步。另外，浮標式轉換器還涉及到感測器、制動器和控制處理器的三方搭配，操作難度太高也會影響效能發揮。並且它的製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了上述缺點，它主要由水下雙渦輪、浮標和動力發電系統三部分構成，並透過一個皮帶傳動機構進行連線，因為具有反轉雙渦輪分別連線電機的定子和轉子，因此發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，每個渦輪都有六個扇形葉片。當渦輪被浮標拖動時，每個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電機內部電阻為 15。5 歐姆相匹配時，它的最大收穫效率是 11。57%，最大收穫功率是 26。4 W。
（來源：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。
由於葉片的撲動運動，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。在反旋轉運動中，發電機的輸入速度也可被提高。而且，隨著旋轉力矩的抵消，其穩定性也有所升。
另據悉，雙汽輪波能轉換器的傳動機構由內軸和外軸組成，外軸有兩個軸承來引導內軸的位置，從而讓上下渦輪機輪分別自由旋轉。而皮帶傳動系統的正時皮帶輪齒數比為 1：4，這能把發電機輸入速度放大 4 倍。
該系統的創新之處在於，反向旋轉的渦輪葉輪分別透過皮帶傳動系統，連線到發電機定子和轉子上，從而來加快發電機的轉速。這種設計還能讓動力輸出系統，放置在水線以上的浮標內，而皮帶驅動傳動系統則能有效吸收海浪引起的負載波動。
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，透過皮帶傳動系統、將雙渦輪捕獲的機械能傳輸給發電機，並能透過提高輸入轉速來增強捕獲能力。
圖 | 原型技術的關鍵操作特徵（來源：Applied Energy）
使用時，也無需和海浪同步運動，因為裝置始終會隨著海浪上下浮動，如此就能最大限度地利用收集到的波浪能量。
即便在發生雙渦輪相對位移的情況下，它也能連續驅動發電機進行發電。其上還有一條柔性定時皮帶輪，可吸收載荷波動和海浪引起的衝擊。並且，它不需要潤滑油來進行維護。
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，比其他的點吸收器技術多出一倍。”
其中，發電機可放在水線以上的浮標中，這樣能避免受到海水侵蝕，從而延長使用壽命。
（來源：Applied Energy）
如得到足夠投資資金支援，五年內有望實現商業化
為了預測反向旋轉雙渦輪波能轉換器的效能，該團隊提出了一個集總引數動力學模型，其使用拉格朗日原理來進行分析，並採用計算流體動力學模擬來確定系統的阻力系數。從實驗結果來看，無需詳細模擬的高計算成本，即可實現準確的效能預測。
由於垂直阻力會帶來顯著機械能量損失，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穫效率。
而實驗結果也表明，集總引數分析模型可用於轉換器的引數靈敏度分析、以及相關設計最佳化。概括來說，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。
（來源：Applied Energy）
王旭教授說，從海浪中獲得能量，不僅可幫助減少碳排放，還能創造綠色能源就業新機會，並具有解決其他環境問題的潛力。
例如，隨著乾旱頻率的增加，海浪能量可給碳中和海水淡化廠提供動力，並能為農業提供淡水，很明顯這是應對氣候變化挑戰的明智之舉。
目前，相關技術已在實驗室成功進行，下一步是擴大技術應用規模，並在真實海洋條件下測試。同時，他也希望尋找到相關企業，一起合作測試全尺寸模型，儘快實現商業化。其表示，如果有適當的支援，該裝置可以在五年內實現商業化。
在王旭教授的領英上，他在 7 月份透露了新成果的部分資訊，很快便有相關企業的工作人員給其留言。
下一步，他將提升該轉換器的引數靈敏度，也將利用雙體點吸收器的諧振和非諧振條件，來提高能量轉換效能。屆時誕生的器件，將是一個雙渦輪輪波能量轉換器和雙體點吸收器的混合體。
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與工程學院劉獻棟教授相識併合作出版了一本學術專著。我被北航邀請去講學。張輝教授和徐向陽院長分別來墨爾本訪問了我。我們一起探討並實施了聯合指導博士後的方案。“
事實上這並非王旭教授首次和北航合作，他是一名 60 後科學家，祖籍江西省南昌市，博士畢業於澳大利亞莫納什大學。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後。其 2016 年博士畢業於皇家墨爾本理工大學工程學院，是王旭教授的學生。博士期間共發表五篇一區學報論文，博士論文題為《壓電振動能量收穫器的研究》，最終以優異成績畢業，學成歸國後被北航錄用為博士後研究員。
回想此前，王旭曾在北航任職，如今他的學生也來到北航任職，這或許是兩代師生最好的“輪迴”。
