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美国北卡罗来纳州旺奇(Wanchese)沿海研究所的研究人员(美国)练习了一种波动能量转换器系统进行淡化。美国国家可再生能源实验室正在建立这样的测试系统,以实践部署并验证对团队在实验室浪潮中建造的设备的测量,以进行水设计挑战。

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2021年8月24日

NREL是由波能源提供动力的快速发展的新兴海水淡化技术

撰稿人:罗布更加好

在海浪中获得的十个竞争对手正在推进新兴技术,以创新便携式波浪动力的淡化装置。设计尚未经过测试,比赛规则的重点是障碍。这些是设计团队面临的优势和陷阱。


Powering the desalination of seawater with wave power makes a kind of intuitive sense. Place the device that separates salt from water next to its power source and let the ocean do the work. But, while the idea may be poetic, the details are puzzling. Wave-powered desalination has not yet progressed meaningfully beyond small-scale devices. The US National Renewable Energy Laboratory is attempting to kickstart progress with its波浪奖。NREL and the US Department of Energy are offering (USD) $3.3 million in prizes over the course of five stages.Now at the close of the fourth stage, 10 teams are building prototypes, competing for a share of a $500,000 pool that will be awarded to up to seven finalists.

Their ideas and their creations are advancing our understanding of what is possible in this technology. When finished, the teams’ prototypes will enter the water and generate new performance data for an emerging technology that still has few real-world exemplars. The hope to spur the development of future wave-powered desalination systems that can quickly deploy to coastal and island communities, especially during emergencies.

“我认为这个问题可能是两个或三个主要的挑战和其他无数挑战。NREL水力技术研究工程师斯科特·詹妮(Scott Jenne)告诉E4C,这是有原因的。

两波能量路径:指导其机械功率还是将其转换为电力?

与任何给定的决定相关的权衡是在波动增强系统的设计师中经常听到的。设计团队必须做出的早期决定之一是在机械电源或电力之间。可以直接利用波浪的机械运动来完成海水淡化的工作,或者可以将运动转换为电力以供电。两者都有优势和缺点。

Mechanical systems can be simpler, cost less and parts are more readily available. Seven of the 10 teams competing have opted for such a design. Electrical systems require more parts, including sensors, processors, and batteries. But they have advantages, and a big one is they can make electricity to power other things.

Another debate between electric and mechanical systems centers on the superiority of power cables versus hose.

詹妮说:“每个人都有不同的成本含义,效率损失,安全问题(高压或高压)等。因此,在开发其原型时,团队必须平衡这些考虑因素。”

NREL工程师正在构建一种测试设备,看起来类似于此处所示的渲染。液压和电逆渗透系统被称为创建首字母缩写英雄,是一个波动能量转换器,该转换器构成了海浪规定的规则,以供水挑战。该设备将帮助法官练习部署竞争对手的原型并验证其测量值。有关更多信息绘制课程

挑战:将波浪功率与反渗透整合

本文将研究大多数参赛者在开发机械波能系统时要克服的挑战。其中之一是如何使用波的机械运动操作反渗透系统。

逆渗透是目前在海水淡化技术中的最新状态。作为快速回顾,反渗透将压力施加到半渗透膜的一侧等溶液中,迫使其通过膜并留下盐和其他溶质。施加的力必须克服并逆转天然渗透压。鉴于机会,纯水将通过半渗透的膜向盐水移动,这一现象称为渗透。反渗透会重定向流量。该技术以各种尺寸的范围已知,测试和购买。

“ RO现在很难击败。这是从海水中提取盐的最有效方法之一。它也很容易获得。您可以去购买膜。您并不是要重新发明系统。”詹妮先生说。“这是一项已知的技术,它是一项可访问的技术,并且是一项非常有效的技术。”

“ RO现在很难击败。这是从海水中提取盐的最有效方法之一。”

问题是如何将其与机械波功率集成在一起。每个波产生的力是不可预测的,反渗透系统需要稳定的压力。波浪的功率太混乱了,无法使设备正确执行。小波不能产生足够的压力以将水穿过膜,而大波浪可能会破坏机器。

Mr. Jenne and colleagues have explored solutions to the problem and published some of their findings in the第36届海洋,海上和北极工程会议论文集由美国机械工程师学会。

研究人员检查了调节机械波功率低和高高的两种方法:累加器和压力阀门。蓄能器指导波浪的运动以压缩容器中的气体(例如空气)。当波太小而无法驱动反渗透系统时,气体会变得松弛。蓄能器还可以从大波浪中平滑压力峰值,但它们不能处理过多的能量。对于可能压倒系统的真正强大的波浪,压力浮雕阀将多余的能量倾倒。

到目前为止,两种类型的设备还没有最佳配置。詹妮先生和团队已经建模了使用阀门和蓄能器组合的系统。一个似乎有效的概念使用了很多蓄能器,但是设置很昂贵。

Challenge: Keep it small

这是一个问题团队现在就与之竞争。另一个是NREL在竞争规则中施加的尺寸限制。除锚外,整个设备必须安装在一个大约一个立方米的盒子中。

詹妮先生说:“我们对此进行了很多思考,指的是规模限制。“第一,它迫使竞争对手思考规模和规模,而不必试图量化能源效率和消费。”

The main reason for the size constraint, however, is to encourage the development of systems that can be transported for disaster response. A package that can fit on a small pickup truck can be practical in most areas of the world that have lost roads and other infrastructure, Mr. Jenne says. How the teams are doing that has led to some interesting designs.

“The thing I’m most interested in with this prize is how they work to get their system in that box. We’ve seen some innovative solutions around inflatable structures, collapsible structures and so on,” Mr. Jenne says. “This is really the first time we’ve seen a group of people start looking at this from a transportability perspective.”

挑战:降低成本

The price tag will have to be as low as possible if future designs of wave-powered desalination systems are to catch on.

NREL研究工程师克里斯·马修斯(Chris Matthews)说:“很多时候,作为工程师,使设备的性能更好,而无需查看系统的总成本,这很容易迷失方向。”在加入NREL之前,马修斯先生在萨罗斯(Saros)开发了波浪动力的淡化系统,他于2011年共同创立并于2014年关闭了一家初创公司。金钱和时间的部署成本是萨罗斯(Saros)无法克服的关键障碍。

The size limit in NREL’s challenge may be one method of triggering cost considerations, Mr. Matthews says. Smaller systems have built-in savings on materials, transportation and deployment.

“在不查看系统总成本的情况下,使设备的性能更好,很容易迷失。”

为了降低尺寸和成本,设计团队正在采用定制和现成组件的组合。例如,两个团队正在围绕市售充气筏构建设备,另一支团队正在建立一个完全定制的抽水系统。

“如果目标是紧急供水和电力供应,那么获胜的解决方案必须至少具有成本,运营和能源需求,”埃及开罗的国际脱盐咨询协会负责人Leon Awerbuch说。Awerbuch先生还是国际海水淡化协会能源与环境委员会主席,该协会正在与研究NREL挑战的设计团队进行咨询。

为什么要开发波动的海水淡化?

在考虑了可行的波动脱盐系统的发展面临的挑战之后,公平地问为什么有人会打扰。NREL的工程师将问题构想为尝试多样化可用的清洁能源选项。波浪力量目前可能不如其他可再生能源那么便宜或可靠,但是随着技术的发展,它对某些沿海社区可能变得重要。

Awerbuch先生说,通过将海水淡化系统放置在海上,也可能节省成本和环境影响。浓缩盐水的处置可能更容易,如果海水从更大的深度中吸引到系统中,则可以预处理。与泵送更大量的海水以使陆上淡化相比,将淡水泵送到岸上可能需要更少的能量。然而,与陆上安装相比,这种权衡是脱盐系统的部署和维护成本更高。

退后一步,使用任何类型的可再生能源可以脱盐的优势是储存的便利性。发电机执行的工作,无论发电机驱动该发电机,都可以很容易地作为淡水存储。

“如果您可以将水量脱碳并具有方便的能源储存形式,那将是双重胜利。”

That’s low-cost energy storage, Mr. Matthews says. “So many places in the world struggle in this nexus of water and energy. It’s a double win if you can decarbonize the water production as well as have a convenient form of energy storage.”

但是,可能还有另一个不太明显的理由使波动驱动的淡化捕捉到了想象力。将海洋工作以净化自己的想法就像时钟上的工程师一样浪漫。

“您正在使用波浪来淡化波浪。也许这不是最引人注目的技术论点,但我认为这是吸引人们的东西。”马修斯先生说。


有关海浪奖的更多信息,请参阅:AmericanMadechAllenges.org/wavestowater

标签:desalination,,,,desalination technologies,,,,设计竞赛,,,,原型,,,,波力

罗布更加好

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