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位于美国北卡罗莱纳Wanchese的海岸研究所的研究人员正在练习部署用于海水淡化的波浪能量转换器系统。美国国家可再生能源实验室正在建造一个类似这样的测试系统,以实践部署和验证团队在实验室的波到水设计挑战中建造的设备的测量。

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2021年8月24日

NREL是由波浪能量驱动的新兴海水淡化技术的快速发展

贡献:Rob古蒂

“从波到水”奖的10名参赛者正在推进新兴技术,创新便携式海浪驱动的海水淡化设备。设计还没有经过测试,比赛的规则很明确,障碍也很高。这些都是设计团队面临的优势和缺陷。


用波浪能为海水淡化提供动力是一种直观的感觉。把把盐和水分离的装置放在它的电源旁边,让海洋来工作。但是,尽管这个想法可能很有诗意,但细节却令人费解。海浪驱动的海水淡化技术还没有在小型设备之外取得有意义的进展。美国国家可再生能源实验室正试图启动其进展向水挥手奖.NREL和美国能源部将在五个阶段提供330万美元的奖金。现在,在第四阶段的尾声,10支团队正在构建原型,争夺50万美元奖金的份额,最多可获得7名决赛选手。

他们的想法和创造正在推动我们理解这项技术的可能性。完成后,团队的原型将进入水中,为一项新兴技术生成新的性能数据,而该技术在现实世界中仍然很少有样本。他们希望刺激未来海浪驱动的海水淡化系统的发展,这种系统可以快速部署到沿海和岛屿社区,特别是在紧急情况下。

“我认为这个问题可能是两三个主要挑战,以及无数其他挑战。他们还没有将其商业化是有原因的,”NREL的水力技术研究工程师Scott Jenne告诉E4C。

两种波能路径:引导其机械能还是将其转化为电能?

在海浪能量脱盐系统的设计者中经常能听到这样的说法,即权衡与任何给定的决策都息息相关。设计团队必须在机械动力和电力之间做出早期决定。海浪的机械运动可以直接被利用来进行海水淡化,或者这种运动可以转化为电能,为电力系统提供动力。两者都有优点和缺点。

机械系统可以更简单,成本更低,零件更容易获得。10支参赛队伍中有7支选择了这样的设计。电子系统需要更多的部件,包括传感器、处理器和电池。但它们也有优点,其中一个很大的优点是它们可以发电为其他东西提供动力。

电力和机械系统之间的另一个争论集中在电缆和软管孰优孰优。

“每一种都有不同的成本影响、效率损失、安全问题(高压或高压)等。所以,开发团队在开发原型时必须平衡这些因素。”

NREL的工程师们正在建造一个测试装置,看起来就像这里的渲染图一样。液压-电反渗透系统(HERO)是根据“浪转水”挑战赛制定的规则而设计的波浪-能量转换器。该设备将帮助裁判练习部署竞争对手的原型,并验证他们的测量结果。更多的看到制图课程

挑战:将波能与反渗透相结合

这篇文章将审查挑战,大多数参赛者正在努力克服,同时发展机械波能系统。其中之一就是如何利用海浪的机械运动来操作反渗透系统。

反渗透法是目前海水淡化技术的最先进技术。简单回顾一下,反渗透是对半透膜一侧的溶液(如盐水)施加压力,迫使其通过膜,留下盐和其他溶质。施加的力必须克服和扭转自然渗透压。如果有机会,纯净水会通过半透膜向咸水移动,这种现象被称为渗透。反向渗透重定向流量。这项技术已经广为人知,经过测试,并在货架上购买了各种尺寸的产品。

“RO现在很难被击败。这是从海水中提取盐的最有效的方法之一。它也很容易获得。你可以直接去买薄膜。你并不是在试图重塑这个体系。”“这是一项众所周知的技术,是一项可获得的技术,也是一项相当高效的技术。”

“RO现在很难被击败。这是从海水中提取盐的最有效的方法之一。”

问题是如何将其与机械波能结合起来。每一波产生的力是不可预测的,反渗透系统需要稳定的压力。波产生的能量太混乱,设备无法正常工作。小波浪无法产生足够的压力将水推过薄膜,而大波浪则有损坏机器的危险。

詹尼先生和他的同事们已经探索出了解决这个问题的方法,并将他们的一些发现发表在第36届海洋、近海和北极工程国际会议论文集由美国机械工程师协会批准。

研究人员研究了两种调节机械波功率高低的方法:蓄能器和减压阀。蓄能器引导波的运动来压缩气体,如容器中的空气。当波浪太小而不能驱动反渗透系统时,气体可以拾取松弛。蓄能器也可以平滑来自大波浪的压力峰值,但它们不能处理太多的能量。对于真正强大的波浪,可以淹没一个系统,减压阀释放多余的能量。

到目前为止,还没有两种设备的最优配置。詹尼和他的团队已经建立了使用不同组合的阀门和蓄能器的系统模型。有一个概念似乎使用了大量的累加器,但设置很昂贵。

挑战:保持规模小

这是现在各支球队都在努力解决的问题。另一个是NREL在竞赛规则中强加的规模限制。整个装置,除了它的锚,必须装进一个大约一立方米的盒子里。

詹尼说,我们在那件衣服上花了很多心思。他指的是尺寸限制。“其一,它迫使竞争对手考虑规模和规模,而不一定试图量化能源效率和消耗。”

然而,规模限制的主要原因是为了鼓励开发可以运输用于灾害响应的系统。詹尼说,在世界上大多数失去道路和其他基础设施的地区,一个可以装在小型皮卡上的包裹是可行的。这些团队是如何做到这一点的,这导致了一些有趣的设计。

“关于这个奖,我最感兴趣的是他们如何把自己的系统装进那个盒子里。我们在充气结构、可折叠结构等方面看到了一些创新的解决方案,”詹恩说。“这真的是我们第一次看到一群人开始从可运输性的角度来看这个问题。”

挑战:降低成本

如果未来海浪驱动的海水淡化系统的设计要流行起来,价格必须尽可能的低。

NREL的研究工程师克里斯·马修斯(Chris Matthews)说:“很多时候,作为工程师,我们很容易迷失在提高设备性能的过程中,而忽略了系统的总成本。”在加入NREL之前,Matthews先生在Saros开发海浪驱动的海水淡化系统,该公司是他于2011年共同创立的,于2014年关闭。部署的资金和时间成本是萨罗斯无法克服的主要障碍。

马修斯说,NREL面临的挑战中的规模限制可能是引发成本考虑的一种方法。较小的系统在材料、运输和部署方面有内在的节省。

“人们很容易迷失在提高设备性能的过程中,而忽略了系统的总成本。”

为了减少尺寸和成本,设计团队混合使用了定制和现成的组件。例如,两个团队正在围绕一种商用的充气筏制造他们的设备,另一个团队正在建造一个完全定制的泵送系统。

位于埃及开罗的国际海水淡化咨询协会有限责任公司负责人Leon Awerbuch说:“如果目标是紧急供水和电力供应,那么胜出的解决方案必须将成本、操作和能源需求降到最低。”Awerbuch先生也是国际海水淡化协会的能源和环境委员会主席,该协会正在与NREL的挑战设计团队进行咨询。

为什么要发展海浪脱盐?

在考虑到发展可行的波浪动力脱盐系统所面临的挑战之后,我们有理由问为什么有人会为此烦恼。NREL的工程师们认为,这是一种尝试,可以使清洁能源的选择多样化。目前,海浪发电可能不像其他可再生能源那么便宜或可靠,但随着技术的进步,它可能在未来变得对一些沿海社区很重要。

阿韦布赫说,把海水淡化系统放在海上可能还会节省成本和对环境的影响。浓缩盐水的处理可能比较容易,如果海水从较深的地方进入系统,预处理海水也可能比较容易。而且,将淡水抽到岸上所需的能源可能比抽大量海水用于岸上脱盐所需的能源要少。然而,与陆上安装相比,部署和维护海水淡化系统的成本更高。

退一步说,使用任何一种可再生能源进行海水淡化的一个优点是易于储存。发电机所做的功,无论驱动发电机的电源是什么,都很容易以淡水的形式储存起来。

“如果你能在生产水中脱碳,同时拥有一种方便的能源储存形式,这是一种双赢。”

马修斯说,这是一种低成本的能源储存方式。“世界上有那么多地方在水和能源的关系上挣扎。如果你能在生产水的过程中脱碳,同时拥有一种方便的能源储存形式,这是一种双赢。”

但是,也许还有另一个不太明显的原因,海浪驱动的海水淡化引起了人们的想象。让海洋净化自己的想法,就像在工作的工程师所允许的那样浪漫。

“你是在用海浪淡化海水。也许这不是最令人信服的技术论点,但我认为这是吸引人们的地方,”马修斯说。


如欲了解更多有关“浪到水奖”的资料,请浏览:americanmadechallenges.org/wavestowater

标签:海水淡化海水淡化技术设计大赛原型设计波浪发电

Rob古蒂

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