李雨蒙

海洋發(fā)電，一項(xiàng)至今都鮮為人知的再生能源。從海浪提取能源來(lái)發(fā)電是一個(gè)極為誘人的創(chuàng)意。實(shí)際早在1974年，就有人就進(jìn)行了首次研究，愛(ài)丁堡大學(xué)員工斯蒂芬·索爾特（Stephen Salter）就想出了一個(gè)名為“鴨子”的創(chuàng)意：將房子大小的浮標(biāo)系在海床上，利用浮標(biāo)將海浪上漲的能量轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。這項(xiàng)嘗試失敗了，因?yàn)橐?qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，還要進(jìn)行大量的后期工作。

不過(guò)，利用海浪能源發(fā)電的創(chuàng)意卻沒(méi)有因此消失。最近，總部位于西雅圖的振蕩電力公司（Oscilla Power）再一次進(jìn)行科學(xué)研究，試圖找到之前海浪發(fā)電失敗的原因。

振蕩電力公司的CEO 拉胡爾·森德?tīng)栒J(rèn)為， 海浪發(fā)電從前失敗的原因主要是研發(fā)人員大多不熟悉大海的緣故，并試圖將發(fā)電設(shè)備設(shè)計(jì)成能在海洋里使用，而制成的設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無(wú)法抵御嚴(yán)苛的海浪環(huán)境，而且十分容易腐蝕，所以導(dǎo)致了最終的失敗。拉胡爾·森德?tīng)柋硎?，他們?duì)海浪發(fā)電設(shè)備進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)。

磁致伸縮發(fā)電的原理

Oscilla Power 電力公司制造的設(shè)備采用磁致伸縮原理來(lái)發(fā)電，這項(xiàng)原理目前還沒(méi)有被廣泛采用。而磁致伸縮的原理，就是讓鐵磁材料（例如鐵材料，容易被磁化）在磁場(chǎng)中稍微改變形狀。由于磁致伸縮材料在磁場(chǎng)作用下，其長(zhǎng)度發(fā)生變化，可發(fā)生位移而做功或在交變磁場(chǎng)作用可發(fā)生反復(fù)伸張與縮短，從而產(chǎn)生振動(dòng)或聲波，這種材料可將電磁能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或聲能，相反地這種轉(zhuǎn)換現(xiàn)象也可以產(chǎn)生合金材料的流量變化，與電磁感應(yīng)相結(jié)合形成高載低位移的電流，以及機(jī)械載荷的變化。

在過(guò)去幾十年中的海浪發(fā)電領(lǐng)域中，小型的促動(dòng)器、傳感器和換能器主要使用更精細(xì)的合金棒， 這些都是由一些稀有合金，比如鋱鏑鐵和鐵鎵合金所制成，尤其在發(fā)電過(guò)程中成本更是高得離譜。而在早期的磁致伸縮應(yīng)用中多使用鐵鋁合金，而在后期的常規(guī)稀有合金使用中并沒(méi)有引起足夠的重視，被排除在外。MWEH（磁致伸縮電能采集技術(shù)）的原材料組合里，不需要大量的稀有金屬或是昂貴材料。其中關(guān)鍵的材料主要有鋁、鐵、銅和鋼。而混凝土和玻璃強(qiáng)化塑料也同樣是重要的組成材料。特別的是，原來(lái)用于形成磁動(dòng)勢(shì)的少量稀有磁鐵，如今也可以由成本鐵氧體替代。

鋁鐵合金棒

而最新的磁致伸縮發(fā)電的核心技術(shù)就是利用鋁鐵合金棒，鋁鐵合金具有很強(qiáng)的鐵磁性。這種鋁鐵合金棒只要壓縮千分之一就能達(dá)到預(yù)期效果。這意味著在完全達(dá)到目的的前提下，Oscilla Power 公司設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)內(nèi)部沒(méi)有任何容易出錯(cuò)的活動(dòng)部件。要壓縮一根小尺寸實(shí)心金屬棒，需要巨大的力量；幸運(yùn)的是，海浪完全具有這種力量。Oscilla Power（ 振蕩） 公司的設(shè)計(jì)，就如同其公司名稱那樣，依靠振蕩來(lái)發(fā)電。

振蕩發(fā)電機(jī)有兩個(gè)大部件組成，這兩個(gè)大部件被纜繩連接在一起。在纜繩的一端，振蕩發(fā)電機(jī)漂浮在水面上，在浮標(biāo)內(nèi)有發(fā)電用的合金棒、磁體、線圈和多套擠壓合金棒的液壓油缸；在纜繩的另一端，吊著一個(gè)垂蕩板結(jié)構(gòu)，垂蕩板在慣性和周圍海水的拖動(dòng)下，能保持浮標(biāo)的穩(wěn)定。這種結(jié)構(gòu)讓浮標(biāo)在海面隨著海浪上下起伏，而垂蕩板卻大概保持在原來(lái)位置，將拉力施加給纜繩。由于拉力的變化，纜繩帶動(dòng)液壓油缸運(yùn)轉(zhuǎn)。整套系統(tǒng)由第二套系在海床上的纜繩固定在特定位置上。

全波段的振蕩發(fā)電機(jī)是一套填滿泡沫的鋼制浮標(biāo)，直徑27 米、6 米高、重達(dá)1000 噸，系在一個(gè)環(huán)形混泥土垂蕩板上，位于距水面70 米的水中。該浮標(biāo)內(nèi)配置了12 臺(tái)磁致伸縮發(fā)電機(jī)。拉胡爾·森德?tīng)柋硎?，只要將單個(gè)浮標(biāo)放置離海岸幾公里外的位置，就能產(chǎn)生平均600 千瓦電量，相當(dāng)于一臺(tái)陸地風(fēng)力發(fā)電機(jī)。去年，一臺(tái)直徑4 米的原型浮標(biāo)通過(guò)在美國(guó)的大西洋海岸的開(kāi)闊海域成功地進(jìn)行了測(cè)試。MWEH 發(fā)電的動(dòng)力輸出過(guò)程所需的所有零部件，全部是經(jīng)得起檢驗(yàn)的低成本和高容量。另外，海中的浮標(biāo)和鐵錨都沒(méi)有復(fù)雜的部件，所以它們同樣都是低成本的零件生產(chǎn)。

無(wú)需活動(dòng)零件

采用MWEH 技術(shù)，發(fā)電系統(tǒng)無(wú)需依靠零部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或是尺寸變化產(chǎn)生電流，因此就減少了零部件系統(tǒng)（軸承、潤(rùn)滑、密封）的成本，以及免除了階段性零部件的運(yùn)動(dòng)和維修成本。另外，MWEH 的發(fā)電設(shè)備運(yùn)輸，從岸邊的裝運(yùn)到拖拉的過(guò)程都非常方便，而普通船只無(wú)需特制特殊的裝置運(yùn)輸發(fā)電設(shè)備，只需將設(shè)備放置在甲板上即可。

高效能海浪發(fā)電

實(shí)質(zhì)上，MWEH 技術(shù)是在共振頻率下實(shí)現(xiàn)發(fā)電，不需要像其他海浪發(fā)電那樣，在規(guī)定數(shù)字或虛設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)下強(qiáng)制降低效率。而MWEH 的技術(shù)意味著它能夠作為寬頻帶設(shè)備，享有相同數(shù)值的發(fā)電機(jī)容量，可以產(chǎn)生更加準(zhǔn)確的均值電能。浮標(biāo)在不同振幅下移動(dòng)能夠產(chǎn)生均值，這也是其他海浪發(fā)電技術(shù)所無(wú)法達(dá)到的。

IMEC 專利技術(shù)平臺(tái)

專利認(rèn)證的IMEC 技術(shù)平臺(tái)，包括了合金預(yù)壓縮和閉環(huán)磁通路徑的一些關(guān)鍵特點(diǎn)，應(yīng)用了低成本的鐵鋁合金，通過(guò)傳統(tǒng)的金屬鑄造技術(shù)，獲得發(fā)電系統(tǒng)所需的標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)發(fā)電機(jī)中小部分的永磁阻獲得強(qiáng)力的磁動(dòng)勢(shì)。發(fā)電機(jī)將張力的變化轉(zhuǎn)化為鐵鋁合金棒的磁導(dǎo)率的變化，形成磁路中磁通密度的變化。

理想的海浪電能采集

為了使海浪發(fā)電的成本能夠與煤炭和天然氣發(fā)電同等競(jìng)爭(zhēng)， 并且在無(wú)需補(bǔ)貼的情況下， 海浪發(fā)電技術(shù)需要達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)：

1. 在大范圍的磁場(chǎng)內(nèi)，將海浪能源轉(zhuǎn)化為高效電能。實(shí)際上，能量的轉(zhuǎn)化需要以高效低成本的優(yōu)化方式或是不依賴窄帶共振的方式完成。

2. 在一個(gè)既定的波動(dòng)狀態(tài)下，能夠獲得全波普頻率的能量。

3. 擁有較高的可靠度、低運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本。實(shí)際操作中，能夠最小化或是極大減少使用活動(dòng)零件。

4. 低投資成本。實(shí)際中，這意味著降低了結(jié)構(gòu)質(zhì)量與有效質(zhì)量比，消除了昂貴材料的使用，易于制造與安裝。

拉胡爾·森德?tīng)柍姓J(rèn)振蕩發(fā)電機(jī)的建造和安裝費(fèi)用十分昂貴；但振蕩發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，只要稍作維護(hù)，就能運(yùn)行幾十年。拉胡爾·森德?tīng)栴A(yù)計(jì)振蕩發(fā)電機(jī)的發(fā)電成本為每度電10 美分，與之相比，陸地風(fēng)力發(fā)電機(jī)的成本為每度電16 美分，海上風(fēng)力發(fā)電成本為6 美分每度電。使用化石燃料并并網(wǎng)的火電站的成本仍然比這些可再生能源電站低，不到5 美分。然而，10 美分代表了一種新型發(fā)電技術(shù)的良好開(kāi)端。

編譯自《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志