將波浪運動轉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技術發(fā)展。由密歇根大學工程學院領導的研究團隊設計了兩款小型波浪能轉換器原型，并配套推出標準化方法，旨在加速高質(zhì)量波浪能轉換器研究進程。
該研究成果發(fā)表于《機械設計雜志》，合作者包括康奈爾大學、佐治亞理工學院和普林斯頓大學的研究人員。
密歇根大學機械工程助理教授、該研究資深作者Maha Haji表示：“這是首次提出的波浪能轉換器設計方法。擁有這一標準化方法將減少早期開發(fā)中的重復失誤，推動技術進一步走向商業(yè)化�！�
為何開發(fā)利用波浪能?
與間歇性的風能和太陽能不同，海洋波浪具有持續(xù)性和可預測性。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，它具有可預測性、持續(xù)性，且能量密度比風能高100倍�，F(xiàn)在是將這項技術推進至超越實驗室測試階段的時機�！�
多數(shù)風力渦輪機外觀相似——一個高塔連接帶三片葉片的轉子——因為業(yè)界已趨于采用一種優(yōu)化的標準化設計。而波浪能轉換器形狀和尺寸各異，設計知識常未被記錄或分散于不同機構，導致每次建造新原型時研究人員不得不重復基礎工作。
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的振蕩浪涌波浪能轉換器。
原型設計步驟
研究團隊整理并優(yōu)先排序了小型原型的設計步驟，以便在全尺寸設備投用前掌握系統(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。
了解測試設施尺寸是任何原型設計的首要步驟，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米高的原型相當于50米高的全尺寸設備。
確定了這些關鍵參數(shù)后，原型必須設計成與波浪產(chǎn)生共振，即運動一致。最后，固定設備防止其漂走的系泊系統(tǒng)不得干擾設備的自然運動。
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的摩擦，該機構負責將波浪運動轉換為發(fā)電所需的旋轉運動。
研究人員推薦使用齒輪齒條式能量輸出機構以減少摩擦。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專注于創(chuàng)新，而非解決常見的技術障礙。
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