海浪发电的秘密—磁致伸缩

李雨蒙

海洋发电，一项至今都鲜为人知的再生能源。从海浪提取能源来发电是一个极为诱人的创意。实际早在1974年，就有人就进行了首次研究，爱丁堡大学员工斯蒂芬·索尔特（Stephen Salter）就想出了一个名为“鸭子”的创意：将房子大小的浮标系在海床上，利用浮标将海浪上涨的能量转变成旋转运动，从而驱动发电机。这项尝试失败了，因为要驱动发电机，还要进行大量的后期工作。

不过，利用海浪能源发电的创意却没有因此消失。最近，总部位于西雅图的振荡电力公司（Oscilla Power）再一次进行科学研究，试图找到之前海浪发电失败的原因。

振荡电力公司的CEO 拉胡尔·森德尔认为， 海浪发电从前失败的原因主要是研发人员大多不熟悉大海的缘故，并试图将发电设备设计成能在海洋里使用，而制成的设备结构复杂，无法抵御严苛的海浪环境，而且十分容易腐蚀，所以导致了最终的失败。拉胡尔·森德尔表示，他们对海浪发电设备进行了全新的设计。

磁致伸缩发电的原理

Oscilla Power 电力公司制造的设备采用磁致伸缩原理来发电，这项原理目前还没有被广泛采用。而磁致伸缩的原理，就是让铁磁材料（例如铁材料，容易被磁化）在磁场中稍微改变形状。由于磁致伸缩材料在磁场作用下，其长度发生变化，可发生位移而做功或在交变磁场作用可发生反复伸张与缩短，从而产生振动或声波，这种材料可将电磁能转换成机械能或声能，相反地这种转换现象也可以产生合金材料的流量变化，与电磁感应相结合形成高载低位移的电流，以及机械载荷的变化。

在过去几十年中的海浪发电领域中，小型的促动器、传感器和换能器主要使用更精细的合金棒， 这些都是由一些稀有合金，比如铽镝铁和铁镓合金所制成，尤其在发电过程中成本更是高得离谱。而在早期的磁致伸缩应用中多使用铁铝合金，而在后期的常规稀有合金使用中并没有引起足够的重视，被排除在外。MWEH（磁致伸缩电能采集技术）的原材料组合里，不需要大量的稀有金属或是昂贵材料。其中关键的材料主要有铝、铁、铜和钢。而混凝土和玻璃强化塑料也同样是重要的组成材料。特别的是，原来用于形成磁动势的少量稀有磁铁，如今也可以由成本铁氧体替代。

铝铁合金棒

而最新的磁致伸缩发电的核心技术就是利用铝铁合金棒，铝铁合金具有很强的铁磁性。这种铝铁合金棒只要压缩千分之一就能达到预期效果。这意味着在完全达到目的的前提下，Oscilla Power 公司设计的发电机内部没有任何容易出错的活动部件。要压缩一根小尺寸实心金属棒，需要巨大的力量；幸运的是，海浪完全具有这种力量。Oscilla Power（ 振荡） 公司的设计，就如同其公司名称那样，依靠振荡来发电。

振荡发电机有两个大部件组成，这两个大部件被缆绳连接在一起。在缆绳的一端，振荡发电机漂浮在水面上，在浮标内有发电用的合金棒、磁体、线圈和多套挤压合金棒的液压油缸；在缆绳的另一端，吊着一个垂荡板结构，垂荡板在惯性和周围海水的拖动下，能保持浮标的稳定。这种结构让浮标在海面随着海浪上下起伏，而垂荡板却大概保持在原来位置，将拉力施加给缆绳。由于拉力的变化，缆绳带动液压油缸运转。整套系统由第二套系在海床上的缆绳固定在特定位置上。

全波段的振荡发电机是一套填满泡沫的钢制浮标，直径27 米、6 米高、重达1000 吨，系在一个环形混泥土垂荡板上，位于距水面70 米的水中。该浮标内配置了12 台磁致伸缩发电机。拉胡尔·森德尔表示，只要将单个浮标放置离海岸几公里外的位置，就能产生平均600 千瓦电量，相当于一台陆地风力发电机。去年，一台直径4 米的原型浮标通过在美国的大西洋海岸的开阔海域成功地进行了测试。MWEH 发电的动力输出过程所需的所有零部件，全部是经得起检验的低成本和高容量。另外，海中的浮标和铁锚都没有复杂的部件，所以它们同样都是低成本的零件生产。

无需活动零件

采用MWEH 技术，发电系统无需依靠零部件之间的相对运动或是尺寸变化产生电流，因此就减少了零部件系统（轴承、润滑、密封）的成本，以及免除了阶段性零部件的运动和维修成本。另外，MWEH 的发电设备运输，从岸边的装运到拖拉的过程都非常方便，而普通船只无需特制特殊的装置运输发电设备，只需将设备放置在甲板上即可。

高效能海浪发电

实质上，MWEH 技术是在共振频率下实现发电，不需要像其他海浪发电那样，在规定数字或虚设的标准下强制降低效率。而MWEH 的技术意味着它能够作为宽频带设备，享有相同数值的发电机容量，可以产生更加准确的均值电能。浮标在不同振幅下移动能够产生均值，这也是其他海浪发电技术所无法达到的。

IMEC 专利技术平台

专利认证的IMEC 技术平台，包括了合金预压缩和闭环磁通路径的一些关键特点，应用了低成本的铁铝合金，通过传统的金属铸造技术，获得发电系统所需的标准。通过发电机中小部分的永磁阻获得强力的磁动势。发电机将张力的变化转化为铁铝合金棒的磁导率的变化，形成磁路中磁通密度的变化。

理想的海浪电能采集

为了使海浪发电的成本能够与煤炭和天然气发电同等竞争， 并且在无需补贴的情况下， 海浪发电技术需要达到以下标准：

1. 在大范围的磁场内，将海浪能源转化为高效电能。实际上，能量的转化需要以高效低成本的优化方式或是不依赖窄带共振的方式完成。

2. 在一个既定的波动状态下，能够获得全波普频率的能量。

3. 拥有较高的可靠度、低运营和维护成本。实际操作中，能够最小化或是极大减少使用活动零件。

4. 低投资成本。实际中，这意味着降低了结构质量与有效质量比，消除了昂贵材料的使用，易于制造与安装。

拉胡尔·森德尔承认振荡发电机的建造和安装费用十分昂贵；但振荡发电机的设计简单，只要稍作维护，就能运行几十年。拉胡尔·森德尔预计振荡发电机的发电成本为每度电10 美分，与之相比，陆地风力发电机的成本为每度电16 美分，海上风力发电成本为6 美分每度电。使用化石燃料并并网的火电站的成本仍然比这些可再生能源电站低，不到5 美分。然而，10 美分代表了一种新型发电技术的良好开端。

编译自《经济学人》杂志