旋转陀螺仪或将开启海洋波浪发电新途径

大阪大学的一名研究人员深入研究了一种名为陀螺波浪能转换器（GWEC）的新方法，评估该设计是否能切实支持大规模发电。研究结果本月发表在《流体力学杂志》上。与传统系统不同，GWEC依赖于安置在漂浮平台内的旋转飞轮。当结构随波浪运动时，旋转的飞轮将这种运动转化为电能。由于飞轮作为陀螺运行，其特性可调整，从而能在广泛的波浪频率范围内高效捕获能量，而非局限于窄频带。陀螺进动如何发电：该系统利用陀螺进动原理工作，当旋转物体受到外力作用时会发生这种现象。当波浪导致漂浮平台俯仰（上下移动）时，旋转的飞轮通过进动改变其旋转方向。这种运动与发电机相连，使设备能够产生电力。“波浪能装置常因海洋条件不断变化而面临挑战，”该研究的作者饭田贵仁（Takahito Iida）表示，“然而，陀螺系统可以通过控制在波浪频率变化时仍保持高能量吸收。”为了更好地了解系统的运行情况，研究人员利用线性波理论模拟海洋波浪、漂浮结构和陀螺之间的相互作用。通过分析这些相互关联的动态，团队确定了飞轮转速和发电机控制的理想设置。分析表明，经过适当调整后，GWEC在任何波浪频率下都能达到理论上最高的能量吸收效率（1/2）。“这个效率极限是波浪能理论中的基本约束，”饭田解释道，“令人兴奋的是，我们现在知道它可以在宽频范围内实现，而不仅仅是在单一共振条件下。”模拟证实实际性能：研究结果通过频域和时域的数值模拟进一步验证。额外的时域模拟还纳入了非线性陀螺行为，以探索可能的性能极限。这些结果证实，该设备在其共振频率附近保持较高效率，即当设备运动与波浪的自然节奏一致时性能最佳。通过阐明如何微调陀螺的运行参数，这项研究为构建更灵活、高效的波浪能系统提供了实用指导。随着世界寻求可靠的可再生能源解决方案以实现气候目标，此类创新有助于开发海洋中巨大且大部分未被利用的能量。