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MBARI波浪力浮标的示意图图片:Kim Fulton-Bennett 2012 MBARI为了利用海浪的力量,工程师设计并制造了一个浮动的“动力浮标”,尺寸为8英尺宽,10英尺宽,18英尺长浮标利用波浪的向上和向下运动,结合金属板的重量,移动液压活塞,导致电力MBARI工程师安迪·汉密尔顿在莫斯兰丁看着他的办公室窗口,指着海浪在海滩上坠毁下面“非常令人印象深刻,不是吗

你认为有一种方法可以充分利用所有的能量“自2009年以来,汉密尔顿领导了一个工程师团队试图做到这一点他们的目标不是要取代俯瞰莫斯登陆港的笨重的发电厂,而是为蒙特利湾的海洋仪器提供更加慷慨的电力汉密尔顿的“电力浮标”项目由国防高级研究计划局(DARPA)资助,该机构赞助有朝一日可能被美国军方使用的革命性新技术的研究该项目开始时为期三个月,用于评估世界各地波浪能的可用性,并评估DARPA此前从波浪中产生电力的尝试汉密尔顿的初步研究和计算表明,DARPA之前的努力过于胆怯 - 他们的小原型浮标永远无法利用波浪的全部能量因此汉密尔顿建议“变大”(但没有商业化的那么大)他花了九个月的时间用计算机模型在各种模拟波浪条件下测试不同的浮标设计最后,他想出了一个25米(8英尺)高的悬浮在这下面的水中

浮标是一块3米(10英尺)宽,55米(18英尺)长的巨大金属板因为大多数波浪运动发生在海面上,浮标随着波浪上升和下降,但是板块,30米(100英尺)向下,保持相对静止在表面浮标和金属板之间是一个带有活塞内部的大型液压缸随着浮标的上升和下降,它会推动和拉动这个活塞

这迫使液压油通过液压马达,而液压马达则依次运行发电机在现实世界中的工程这在概念上听起来很简单,但是通常情况下,当你试图构建一个能够在真正的海洋中工作的真实设备时,事情变得更加棘手幸运的是,汉密尔顿招募了一支资源丰富的工程团队项目工作机械工程师FrançoisCazenave过去18个月一直在这个项目上工作

其他团队成员包括机械工程师Jon Erickson,电气工程师Paul McGill和软件工程师Wayne Radochonski机械技师John Ferreira准备动力浮标在MBARI高台的部署在设计过程的这个阶段,液压活塞被封闭在一个黄色泡沫的圆柱形外壳中(左下方)图片:FrançoisCazenave2011 MBARI团队面临的首要挑战之一是找出最好的将波浪的垂直运动转换为可以为发电机提供动力的旋转运动的方法首先,他们从一家外部公司购买了一台定制的发电机,但结果却太低效了,无法使用回到绘图板,团队使用类似于土方设备和MBARI水下机器人上使用的现成液压马达设计自己的系统液压马达使用移动液压油驱动旋转轴,效率高达95%汉密尔顿团队面临的另一个挑战是设计一种机制,在波浪通过汉密尔顿最初设想使用大型金属弹簧后,将活塞返回到起点为了这个目的,但金属弹簧太重了所以团队重新设计了系统,加入了一个充满氮气的气动弹簧,并安装在活塞的一端当活塞随着波浪移动时,压缩或减压室内的氮气在波浪通过后,室内的气体恢复到原来的压力,迫使活塞回到其冲程的中间位置

在新活塞的第一次现场试验中又一次挑战,连接在金属板上的电缆从一侧向另一侧摆动,损坏液压缸的密封件并使其泄漏 该团队添加了一根长金属管作为指导,确保电缆与活塞轴线齐平

在后期部署中,液压油中的金属碎片造成额外损坏最终工程师重建系统,增加了一个储液罐/压力补偿器和用于保持液压油清洁的在线过滤器在过去的一年中,动力浮标已在蒙特利湾部署了大约六次

每次部署时,该团队都增加了新的功能和改进

到2011年底,浮标产生高达400瓦的功率,是MBARI现有系泊产品使用风力发电机和太阳能电池板生产的两倍多汉密尔顿说:“值得注意的是,该系统的性能与我们的模型非常相似我们的目标是产生大约500瓦的功率,所以我们几乎达到了我们的目标“下一个挑战:制造可用的电力尽管我们倾向于认为开阔的海浪是长而柔和的滚轮,任何已经出海的人都知道运动通常是不稳定和不可预测因此发电机在电源浮标上产生的电压当每个波通过时,发电机首先加速,然后再次减速,发电从0到500伏(AC)在春末2012年,该团队将测试该系统的新版本,该系统包含电源调节硬件和软件,可将此波动电压更改为可用于科学仪器的稳定24伏(DC)

最初,此电流将用于为浮标上的电池充电任何过电流都将通过一系列电阻来消耗能量作为热量在即将到来的部署期间,该团队还将测试可以显着提高电源浮标效率的新硬件和软件

令人惊讶的是,这会增加对系统的阻力 - 基本上使活塞在波浪循环中的某些时间更难推动新软件不断地自动改变系统的阻力调整发电机的负载并优化发电机转速的速度如果发电机转速过快,软件会增加系统的电阻以产生更多功率如果发电机移动太慢,软件会降低电阻系统,允许发电机加速梦想:水下充电站好像从波浪中提取能量的挑战还不够,动力浮标项目包括另一个雄心勃勃的元素 - 海底机器人的水下充电站自主水下航行器(AUVs)是海底机器人,它们在地面编程,然后在海浪下行进,随时收集信息但是,许多AUV只能在他们的电池需要充电之前运行一两天与Hamilton团队一起工作,由Jim Bellingham和Brett Hobson领导的一群MBARI工程师一直致力于水下“扩展坞”,最终将挂起拥有电源浮标当AUV感觉到它的电池需要充电时,它会自动进入扩展坞,自行插入,下载数据,重新充电,然后前往下一个任务汉密尔顿说:“这是动力浮标的终极梦想我们正在研究它的各个部分“到目前为止,AUV对接团队已经建立了一个无动力对接系统,并且一直在为MBARI的远程AUV开发软件,以便它可以自动查找并停放在这个“模拟码头”里面他们也在为实际的充电码头工作电子设备在现场试验中,AUV已进入“模拟码头”,但还不能一贯地做到这一点波浪力量的未来汉密尔顿的发展2012年秋季,电力浮标的拨款用完了那段时间,他希望展示该系统的实用性,并为该项目吸引更多资金根据汉密尔顿的说法,“很大程度上取决于找到一个'科学驱动因素' - 一个特定的我们正在生产的这种额外电力将受益的虚拟科学项目“他补充道,”我们并不是在尝试与风能和太阳能发电机竞争我们正在补充它们与大多数可再生能源一样,最好有一些冗余“动力浮标在日落时漂浮在蒙特利湾,背景中有Moss Landing发电厂 图片:FrançoisCazenave2011 MBARI虽然大风暴波带来了很大的力量,但事实证明,蒙特利湾的大部分波浪能量是由相对频繁发生的中等大小的波浪提供的,Cazenave解释说:“动力浮标必须能够在风暴波中存活,但它在最常见的波浪类型中效率最高 - 比如两米高在更大的波浪中有更多的能量,这里可以达到四到五米,但它们并不常见“浩瀚和变化大海将永远阻碍我们理解这一全球环境的努力未来十年海洋学家面临的主要挑战之一将是如何为长时间留在大海中的复杂仪器提供动力MBARI的波浪动力浮标是其中的一部分解决这个问题的方法来源:蒙特利湾水族馆研究所图片:Kim Fulton-Bennett 2012 MBARI; FrançoisCazenave2011年MBARI

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