海浪發(fā)電的秘密—磁致伸縮

李雨蒙

海洋發(fā)電，一項至今都鮮為人知的再生能源。從海浪提取能源來發(fā)電是一個極為誘人的創(chuàng)意。實際早在1974年，就有人就進行了首次研究，愛丁堡大學員工斯蒂芬·索爾特（Stephen Salter）就想出了一個名為“鴨子”的創(chuàng)意：將房子大小的浮標系在海床上，利用浮標將海浪上漲的能量轉變成旋轉運動，從而驅動發(fā)電機。這項嘗試失敗了，因為要驅動發(fā)電機，還要進行大量的后期工作。

不過，利用海浪能源發(fā)電的創(chuàng)意卻沒有因此消失。最近，總部位于西雅圖的振蕩電力公司（Oscilla Power）再一次進行科學研究，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·森德爾認為， 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)電設備設計成能在海洋里使用，而制成的設備結構復雜，無法抵御嚴苛的海浪環(huán)境，而且十分容易腐蝕，所以導致了最終的失敗。拉胡爾·森德爾表示，他們對海浪發(fā)電設備進行了全新的設計。

磁致伸縮發(fā)電的原理

Oscilla Power 電力公司制造的設備采用磁致伸縮原理來發(fā)電，這項原理目前還沒有被廣泛采用。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）在磁場中稍微改變形狀。由于磁致伸縮材料在磁場作用下，其長度發(fā)生變化，可發(fā)生位移而做功或在交變磁場作用可發(fā)生反復伸張與縮短，從而產生振動或聲波，這種材料可將電磁能轉換成機械能或聲能，相反地這種轉換現(xiàn)象也可以產生合金材料的流量變化，與電磁感應相結合形成高載低位移的電流，以及機械載荷的變化。

在過去幾十年中的海浪發(fā)電領域中，小型的促動器、傳感器和換能器主要使用更精細的合金棒， 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)電過程中成本更是高得離譜。而在早期的磁致伸縮應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有引起足夠的重視，被排除在外。MWEH（磁致伸縮電能采集技術）的原材料組合里，不需要大量的稀有金屬或是昂貴材料。其中關鍵的材料主要有鋁、鐵、銅和鋼。而混凝土和玻璃強化塑料也同樣是重要的組成材料。特別的是，原來用于形成磁動勢的少量稀有磁鐵，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)電的核心技術就是利用鋁鐵合金棒，鋁鐵合金具有很強的鐵磁性。這種鋁鐵合金棒只要壓縮千分之一就能達到預期效果。這意味著在完全達到目的的前提下，Oscilla Power 公司設計的發(fā)電機內部沒有任何容易出錯的活動部件。要壓縮一根小尺寸實心金屬棒，需要巨大的力量；幸運的是，海浪完全具有這種力量。Oscilla Power（ 振蕩） 公司的設計，就如同其公司名稱那樣，依靠振蕩來發(fā)電。

振蕩發(fā)電機有兩個大部件組成，這兩個大部件被纜繩連接在一起。在纜繩的一端，振蕩發(fā)電機漂浮在水面上，在浮標內有發(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，吊著一個垂蕩板結構，垂蕩板在慣性和周圍海水的拖動下，能保持浮標的穩(wěn)定。這種結構讓浮標在海面隨著海浪上下起伏，而垂蕩板卻大概保持在原來位置，將拉力施加給纜繩。由于拉力的變化，纜繩帶動液壓油缸運轉。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)電機是一套填滿泡沫的鋼制浮標，直徑27 米、6 米高、重達1000 噸，系在一個環(huán)形混泥土垂蕩板上，位于距水面70 米的水中。該浮標內配置了12 臺磁致伸縮發(fā)電機。拉胡爾·森德爾表示，只要將單個浮標放置離海岸幾公里外的位置，就能產生平均600 千瓦電量，相當于一臺陸地風力發(fā)電機。去年，一臺直徑4 米的原型浮標通過在美國的大西洋海岸的開闊海域成功地進行了測試。MWEH 發(fā)電的動力輸出過程所需的所有零部件，全部是經(jīng)得起檢驗的低成本和高容量。另外，海中的浮標和鐵錨都沒有復雜的部件，所以它們同樣都是低成本的零件生產。

無需活動零件

采用MWEH 技術，發(fā)電系統(tǒng)無需依靠零部件之間的相對運動或是尺寸變化產生電流，因此就減少了零部件系統(tǒng)（軸承、潤滑、密封）的成本，以及免除了階段性零部件的運動和維修成本。另外，MWEH 的發(fā)電設備運輸，從岸邊的裝運到拖拉的過程都非常方便，而普通船只無需特制特殊的裝置運輸發(fā)電設備，只需將設備放置在甲板上即可。

高效能海浪發(fā)電

實質上，MWEH 技術是在共振頻率下實現(xiàn)發(fā)電，不需要像其他海浪發(fā)電那樣，在規(guī)定數(shù)字或虛設的標準下強制降低效率。而MWEH 的技術意味著它能夠作為寬頻帶設備，享有相同數(shù)值的發(fā)電機容量，可以產生更加準確的均值電能。浮標在不同振幅下移動能夠產生均值，這也是其他海浪發(fā)電技術所無法達到的。

IMEC 專利技術平臺

專利認證的IMEC 技術平臺，包括了合金預壓縮和閉環(huán)磁通路徑的一些關鍵特點，應用了低成本的鐵鋁合金，通過傳統(tǒng)的金屬鑄造技術，獲得發(fā)電系統(tǒng)所需的標準。通過發(fā)電機中小部分的永磁阻獲得強力的磁動勢。發(fā)電機將張力的變化轉化為鐵鋁合金棒的磁導率的變化，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)電同等競爭， 并且在無需補貼的情況下， 海浪發(fā)電技術需要達到以下標準：

1. 在大范圍的磁場內，將海浪能源轉化為高效電能。實際上，能量的轉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. 在一個既定的波動狀態(tài)下，能夠獲得全波普頻率的能量。

3. 擁有較高的可靠度、低運營和維護成本。實際操作中，能夠最小化或是極大減少使用活動零件。

4. 低投資成本。實際中，這意味著降低了結構質量與有效質量比，消除了昂貴材料的使用，易于制造與安裝。

拉胡爾·森德爾承認振蕩發(fā)電機的建造和安裝費用十分昂貴；但振蕩發(fā)電機的設計簡單，只要稍作維護，就能運行幾十年。拉胡爾·森德爾預計振蕩發(fā)電機的發(fā)電成本為每度電10 美分，與之相比，陸地風力發(fā)電機的成本為每度電16 美分，海上風力發(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)電技術的良好開端。

編譯自《經(jīng)濟學人》雜志