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基本信息

項目名稱：
新概念微浪發(fā)電子
小類：
能源化工
簡介：
該作品選題瞄準(zhǔn)了當(dāng)今能源危機背景下新能源的開拓，緊密結(jié)合當(dāng)前我國能源結(jié)構(gòu)改革的新形勢，涉及的理論知識涵蓋了海洋學(xué)、力學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域。作者提出了一種全新的微波浪發(fā)電子理念，屬原始創(chuàng)新。利用微機電結(jié)構(gòu)的概念，完成發(fā)電子樣品的設(shè)計與制作，采用分布式投放海洋和灘涂，不影響生態(tài)環(huán)境，成本低，具有良好的市場推廣前景，同時也為波浪能的利用與開發(fā)提供了一種新思路和新途徑。
詳細(xì)介紹：
針對目前世界面臨能源危機的現(xiàn)狀，我們進行了長期調(diào)研，深入了解了目前世界所面對的傳統(tǒng)化石能源逐漸枯竭，新能源生產(chǎn)供應(yīng)體系尚未完全建立的困境。目前，世界各國都在大力倡導(dǎo)開發(fā)利用新能源并取得了一定的成果。 針對這樣的現(xiàn)狀，我們本著學(xué)習(xí)研究的態(tài)度和科學(xué)創(chuàng)新的思想，提出了一種利用微型波浪能發(fā)電的新方案。以微機電一體化理念為指導(dǎo)，結(jié)合微功耗電子技術(shù)，針對新概念微浪發(fā)電子這樣一個全新的概念，我們給出了如下定義： 指一種具有微波浪能轉(zhuǎn)換發(fā)電能力的最小單元，定義為微浪發(fā)電子。 其中，“新概念”指：提出與傳統(tǒng)“波能大量聚集（讓波能轉(zhuǎn)換裝置占有大量水域或利用浪高大的海浪進行發(fā)電）”發(fā)電方式所不同的微型化波能發(fā)電方式——“微浪能收集，網(wǎng)絡(luò)化集中”。 同時，其區(qū)別于現(xiàn)今最常見的浪力發(fā)電（將波浪或海濤造成的海面上下波動轉(zhuǎn)換成氣壓，利用氣壓的力量來推動渦輪機發(fā)電），具體表現(xiàn)為微機電高度集中的發(fā)電元件。 “微浪”：在海浪分級定義中并沒有對于微浪的具體的定義，在研究中為了便于說明，在此處“微浪”指海洋及其灘涂中浪高為20厘米左右的小波浪。 利用微浪能量可以滿足微功耗用電器的需要。 “發(fā)電子”是一個微型的波浪能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，也是整個發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的基本元件。發(fā)電子的引入，避開了波能聚集的傳統(tǒng)海浪發(fā)電模式。其結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用靈活方便，（可以將檢修工作具體到“點”）具有更大的潛力。之所以提出這樣一個新的概念，是基于微電技術(shù)的快速發(fā)展，微功耗器材的廣泛應(yīng)用，磁材料性能的提高，絕緣材料功能的增強，新工藝新方法的不斷創(chuàng)新的基礎(chǔ)上。以上這些為微浪發(fā)電子新概念的提出提供了物資和技術(shù)基礎(chǔ)。 新概念微浪發(fā)電子的概念提出和裝置制作由本研究小組五名本科生獨立完成。新概念微浪發(fā)電子貫徹了整體網(wǎng)絡(luò)化具體單元式的總體設(shè)計思想，整體結(jié)構(gòu)由電路模塊、機械模塊、儲電模塊組成。電路模塊以電磁感應(yīng)為理論基礎(chǔ)，整體發(fā)電子具有結(jié)構(gòu)微型化、微機電結(jié)合一體化的特點。此裝置的提出較好地解決了現(xiàn)今波浪發(fā)電裝置普遍存在的大型化、對小波浪響應(yīng)不足、對生態(tài)環(huán)境存在較大破壞的問題。在應(yīng)用方面，由于具有以上的特點，可以較好的應(yīng)用于礁石示警、水產(chǎn)養(yǎng)殖、航道示意等現(xiàn)有波浪發(fā)電大型裝置無法應(yīng)用的方面，具有良好的市場推廣前景。隨著超導(dǎo)技術(shù)和微電子技術(shù)的進一步發(fā)展，發(fā)電效率和應(yīng)用范圍也將得到進一步的提高和拓展。此概念的提出也為波浪能發(fā)電提供了一種新思路和新途徑，為人類進一步利用海洋提供了一種全新的設(shè)想。

作品圖片

  • 新概念微浪發(fā)電子
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作品專業(yè)信息

設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

針對目前世界面臨能源危機的現(xiàn)狀，我們在進行長期調(diào)研后，深入了解到目前世界所面臨的傳統(tǒng)化石能源逐漸枯竭，新能源生產(chǎn)供應(yīng)體系尚未完全建立的困境。目前，世界各國都在大力倡導(dǎo)開發(fā)利用新能源，并取得了一定的成果。 針對這樣的現(xiàn)狀，我們本著學(xué)習(xí)研究的態(tài)度和科學(xué)創(chuàng)新的思想，提出了一種利用微型波浪能發(fā)電的新方案。系統(tǒng)的方案設(shè)計以磁生電原理為基礎(chǔ)，以收集、利用微浪能量為目標(biāo)，針對實際問題，在研究創(chuàng)新過程中解決遇到的技術(shù)難點，設(shè)計制作了“新概念微浪發(fā)電子”原理樣機，并獲得了穩(wěn)定的電流輸出，驗證了微浪發(fā)電的科學(xué)性和可行性。本作品由機械模塊，電能轉(zhuǎn)換模塊，儲電模塊組成，具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、成本低等特點。整個研究過程取得圓滿的成功。 創(chuàng)新點： 1．理念創(chuàng)新：定義了微浪發(fā)電子的概念，提出一種利用微浪發(fā)電的全新理念 2．分布式投放：微浪發(fā)電子采用分布式高密度投放于海洋和灘涂 3．微動發(fā)電：微浪發(fā)電子是微型高效的機電一體化的電器，有效利用20厘米以下的微浪發(fā)電 4．微功耗：采用高效節(jié)能設(shè)計，降低自身能量損耗，提高整體能量轉(zhuǎn)換效率，面向微功耗電子設(shè)備。 技術(shù)關(guān)鍵：系統(tǒng)以磁生電理論為指導(dǎo)，采用鐘擺式結(jié)構(gòu)，在保證線圈低損耗同時，把雜亂、方向無序的電流經(jīng)整流濾波后，儲存在法拉電容或蓄電池中，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可靠性高，對海洋生態(tài)環(huán)境無影響。 主要技術(shù)指標(biāo)：我們通過樣品進行上百次試驗，得到5個發(fā)電子并聯(lián)實驗數(shù)據(jù)：（平均值）U=1901mV；I=89.8mA；P=170.6mW。

科學(xué)性、先進性

本作品在對磁生電原理靈活運用下，開創(chuàng)了一種全新微波浪發(fā)電方式。即采用磁鐵作為運動件，線圈為固定件，利用磁鐵運動使線圈切割磁感線產(chǎn)生電流的發(fā)電方案,直接將微波浪能轉(zhuǎn)化為電能，這是一種與目前波浪發(fā)電所采用的先轉(zhuǎn)為機械能再轉(zhuǎn)換為電能不同的方式。 將每個微浪發(fā)電子體積壓縮到最小，有利于利用小于20厘米的微波浪實現(xiàn)發(fā)電。微型化的設(shè)計使本作品克服了目前海浪發(fā)電裝置體積大型化所導(dǎo)致的無法響應(yīng)捕獲波高較低的微浪的缺陷。微浪發(fā)電子設(shè)計為整個發(fā)電網(wǎng)絡(luò)的一個最小單元，由多個發(fā)電子構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化供電系統(tǒng)向電子系統(tǒng)提供能量，以這種方式產(chǎn)生的電能是相當(dāng)可觀的。整體網(wǎng)絡(luò)化具體單元式的設(shè)計思想使得本作品調(diào)整維修方便。網(wǎng)絡(luò)線狀發(fā)電系統(tǒng)可以直接分布在沿海領(lǐng)域，無須為此建立大型土木改變環(huán)境原貌，能夠有效降低成本并使發(fā)電系統(tǒng)建立更加便利——僅需把連好的發(fā)電系統(tǒng)散在海中，把儲能部分放置岸邊即可，可減少維護難度，而且對使用海域無環(huán)境負(fù)面影響，是理想且成本低的發(fā)電方式。這樣的研究設(shè)想將成為解決未來能源困境的一個有效思路。

獲獎情況及鑒定結(jié)果

無

作品所處階段

走出實驗室，進入實地測試階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

協(xié)商定

作品可展示的形式

實物、產(chǎn)品；模型；圖片；錄像；樣品

使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測

本系統(tǒng)可應(yīng)用于不同類型的電力供應(yīng)系統(tǒng)，如航標(biāo)燈電源、船舶電力供應(yīng)、海洋沿岸養(yǎng)殖業(yè)、偏遠(yuǎn)島嶼供電等。而與其他能源發(fā)電方式混合使用可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，應(yīng)用前景廣闊。其最終設(shè)計目標(biāo)可達(dá)到優(yōu)化電網(wǎng)的電力分配，實現(xiàn)用戶與電網(wǎng)的雙向輸電的目的。超導(dǎo)材料的逐步應(yīng)用和微功耗電子技術(shù)的進展都將使這種發(fā)電系統(tǒng)獲得更為廣泛的實際應(yīng)用。 本作品設(shè)計過程始終貫徹“結(jié)構(gòu)簡單、微型化、低成本”原則，目的在于解決傳統(tǒng)海浪發(fā)電機中存在的 “三高兩難”問題。新概念微浪發(fā)電子作為網(wǎng)絡(luò)單元由電路模塊、機械模塊以及儲電模塊組成，整體系統(tǒng)采用分布式投放，具有高密度分布，使用靈活，維修更換難度低，發(fā)電系統(tǒng)的實施不影響海洋生態(tài)環(huán)境的特點。 系統(tǒng)設(shè)計簡單易加工，有助于應(yīng)用推廣。由于目前市場上磁材料、電子元件等的限制，本作品發(fā)電功率受到一定影響。如獲得更理想材料，設(shè)計更優(yōu)化的發(fā)電結(jié)構(gòu)，可以進一步擴大系統(tǒng)的使用范圍。由于所運用的理論及元件技術(shù)較為成熟，在實際運用時可以與現(xiàn)有發(fā)電方式形成互補，取得較好的經(jīng)濟效益。

同類課題研究水平概述

波浪能的利用可以追溯到18世紀(jì)，1799年法國人取得世界上第一個波浪發(fā)電專利。1910年法國人試制了世界上第一個波浪發(fā)電裝置，1kW垂直固定式的空氣透平波浪發(fā)電機。19世紀(jì)中葉，發(fā)明家們開始對波浪能利用產(chǎn)生濃厚興趣，在 1856年到1973年間僅在英國申請的專利有350件。1978年，日本成功發(fā)明利用波浪能驅(qū)動空氣活塞發(fā)電裝置，發(fā)電量達(dá)100kW。20世紀(jì)70年代初英國在新能源計劃中把海洋波浪能列為首位，1975年能源部成立波能開發(fā)委員會，到1980年累積投入上千萬英鎊，由實驗室對20多種波浪能轉(zhuǎn)換裝置進行研究，篩選出幾種大規(guī)模波浪發(fā)電方案，例如索爾特點頭鴨式、科克里爾筏式、海蚌式、整流器式、振蕩水柱式等。在此期間，瑞典、丹麥、法國、葡萄牙、西班牙、美國、印度和中國等國相繼開展了波浪能轉(zhuǎn)換的研究，并在海上建立發(fā)電裝置。 至今為止全世界已研制成功幾百種不同波浪發(fā)電裝置，主要可歸納為四類：一是浮力式，利用海面浮體受波浪上下顛簸引起的運動，通過機械傳動帶動發(fā)電機發(fā)電；二是空氣氣輪機方式，利用波浪的上下運動，產(chǎn)生空氣流，以推動空氣氣輪機發(fā)電；三是波浪整流方式，該裝置由高、低水位區(qū)及不可逆閥門組成，當(dāng)該裝置處于浪峰時，海水由閥門進入高水位區(qū)：當(dāng)它處于波谷時，高水位區(qū)的水流向低水位區(qū)，再流回海里，這種裝置就是利用兩水位之間的水流推動水型水輪發(fā)電機工作；四是液壓方式，即利用波浪發(fā)電裝置的上下擺動或轉(zhuǎn)動，帶動液壓馬達(dá)，產(chǎn)生高壓水流，推動渦輪發(fā)電機。 目前已經(jīng)開發(fā)利用的波浪能發(fā)電裝置原理分為3種：①利用海面波浪的橫向或縱向運動產(chǎn)生空氣流或水流而使輪機轉(zhuǎn)動；②利用波浪前后裝置前后擺動或轉(zhuǎn)動產(chǎn)生空氣流或水流而使輪機轉(zhuǎn)動；③把低壓大波浪變?yōu)樾◇w積高壓水，然后把水引入某一高位水池積蓄起來，使其產(chǎn)生一個水頭，沖動水輪機。 總體來說，波浪能利用技術(shù)尚不成熟。從已經(jīng)研究出的波浪發(fā)電裝置或?qū)嶒炿娬緛砜?，仍無法判斷哪種方式更利于人類應(yīng)用。這些裝置普遍存在以下問題：投入成本高、運營風(fēng)險高、技術(shù)門檻高、成本回收難、規(guī)模推廣難，即“三高兩難”問題；此外在機械機構(gòu)方面，復(fù)雜笨重?zé)o法捕獲高度較低的微型波浪也是現(xiàn)在發(fā)電裝置通存的問題。而對于周圍人文、自然環(huán)境產(chǎn)生的破壞也在很大程度上限制了海浪發(fā)電裝置的發(fā)展。
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