SURF-WEC装置是Small Underwater Research Flap Wave Energy Converter的缩写,首次从实验室走向海洋,部署在夏威夷州瓦胡岛的Makai Research Pier近海。该项目由National Laboratory of the Rockies与University of Hawaii at Manoa合作实施,旨在测试一种小型波浪运动发电装置,同时以开放方式提供其设计、数据和经验教训。
与过去几十年开展的大量理论研究和建模相比,开放水域中的实地试验仍然有限。研究人员表示,实际部署不足,加上一些试验数据未公开,阻碍了人们理解海洋能源装置的性能,也使从模型走向可商业化扩展的技术变得更加困难。
装置如何工作?
SURF-WEC由一个安装在近岸的浮动襟翼组成,体积大约相当于一块大屏幕。波浪经过时,襟翼会像围绕铰链转动的门一样前后摆动,从而推动一个封闭式液压系统,使液体流动并逐步升高压力。当压力达到设定值后,系统会利用该压力驱动与发电机相连的发动机旋转。
该装置的核心研究优势在于能够远程调整其对波浪的响应。团队可以在被动模式和主动模式之间切换:被动模式不会根据环境改变响应,主动模式则会实时适应变化的波浪。模型显示,主动运行可能捕获更多能量,但也会因传感器、控制系统和调节机构本身的运行而增加损耗。
从建模到海上测试
该项目历时两年,期间在National Laboratory of the Rockies的实验室内完成建模、建造、测试和验证。研究人员使用WEC-Sim等工具模拟襟翼和波浪的运动,还利用模拟波浪运动的电动执行器,在受控环境中测试液压能量转换系统。
该实验室还开发了MODAQ 2.0平台,用于监测装置性能、控制装置并收集数据。在实验室测试组件后,团队对系统进行了隔离和加固,以保护其免受海洋环境影响,随后将其运往夏威夷,在当地完成组装、部署并连接至岛岸。
部署前,一场强烈的Kona风暴正朝瓦胡岛方向移动,其风力和波浪超过了历史数据的预期。因此,研究人员只固定了框架,等待风暴经过,随后利用附近浮标提供的实时数据重新运行模拟。两天后,他们完成了装置的安装,并将其固定在海床上,同时把电缆接至岸上的MODAQ 2.0平台。
这则消息为何重要?
团队确认装置固定后系统已通电,这证明其已初步成功从实验室设计转向海上运行,但目前还不能证明其具备商业可行性或能够持续大规模发电。SURF-WEC的主要定位是一个低门槛研究平台,用于生成可供研究人员和产业界进一步利用的数据。
部署五个多月后,团队计划让装置在水中运行最长达一年,并提供实时数据馈送以及一份向公众开放的最终报告。研究结果将有助于比较主动和被动运行模式,评估控制相关的损耗,并了解能源系统在真实海况下的性能。装置能够在水中留存多久,以及长期能够产生多少电力,仍是开放问题,这些问题将由持续测试加以确定。
该项目由美国能源部水电与水动力办公室资助;实验室与大学之间的合作则汇集了波浪建模、控制、液压工程和海上固定方面的专业能力。