基本信息
- 项目名称：
- 新概念微浪发电子
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 该作品选题瞄准了当今能源危机背景下新能源的开拓，紧密结合当前我国能源结构改革的新形势，涉及的理论知识涵盖了海洋学、力学、电子学、材料学等领域。作者提出了一种全新的微波浪发电子理念，属原始创新。利用微机电结构的概念，完成发电子样品的设计与制作，采用分布式投放海洋和滩涂，不影响生态环境，成本低，具有良好的市场推广前景，同时也为波浪能的利用与开发提供了一种新思路和新途径。
- 详细介绍：
- 针对目前世界面临能源危机的现状，我们进行了长期调研，深入了解了目前世界所面对的传统化石能源逐渐枯竭，新能源生产供应体系尚未完全建立的困境。目前，世界各国都在大力倡导开发利用新能源并取得了一定的成果。 针对这样的现状，我们本着学习研究的态度和科学创新的思想，提出了一种利用微型波浪能发电的新方案。以微机电一体化理念为指导，结合微功耗电子技术，针对新概念微浪发电子这样一个全新的概念，我们给出了如下定义： 指一种具有微波浪能转换发电能力的最小单元，定义为微浪发电子。 其中，“新概念”指：提出与传统“波能大量聚集（让波能转换装置占有大量水域或利用浪高大的海浪进行发电）”发电方式所不同的微型化波能发电方式——“微浪能收集，网络化集中”。 同时，其区别于现今最常见的浪力发电（将波浪或海涛造成的海面上下波动转换成气压，利用气压的力量来推动涡轮机发电），具体表现为微机电高度集中的发电元件。 “微浪”：在海浪分级定义中并没有对于微浪的具体的定义，在研究中为了便于说明，在此处“微浪”指海洋及其滩涂中浪高为20厘米左右的小波浪。 利用微浪能量可以满足微功耗用电器的需要。 “发电子”是一个微型的波浪能转换为电能的装置，也是整个发电系统网络的基本元件。发电子的引入，避开了波能聚集的传统海浪发电模式。其结构简单，应用灵活方便，（可以将检修工作具体到“点”）具有更大的潜力。之所以提出这样一个新的概念，是基于微电技术的快速发展，微功耗器材的广泛应用，磁材料性能的提高，绝缘材料功能的增强，新工艺新方法的不断创新的基础上。以上这些为微浪发电子新概念的提出提供了物资和技术基础。 新概念微浪发电子的概念提出和装置制作由本研究小组五名本科生独立完成。新概念微浪发电子贯彻了整体网络化具体单元式的总体设计思想，整体结构由电路模块、机械模块、储电模块组成。电路模块以电磁感应为理论基础，整体发电子具有结构微型化、微机电结合一体化的特点。此装置的提出较好地解决了现今波浪发电装置普遍存在的大型化、对小波浪响应不足、对生态环境存在较大破坏的问题。在应用方面，由于具有以上的特点，可以较好的应用于礁石示警、水产养殖、航道示意等现有波浪发电大型装置无法应用的方面，具有良好的市场推广前景。随着超导技术和微电子技术的进一步发展，发电效率和应用范围也将得到进一步的提高和拓展。此概念的提出也为波浪能发电提供了一种新思路和新途径，为人类进一步利用海洋提供了一种全新的设想。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 针对目前世界面临能源危机的现状，我们在进行长期调研后，深入了解到目前世界所面临的传统化石能源逐渐枯竭，新能源生产供应体系尚未完全建立的困境。目前，世界各国都在大力倡导开发利用新能源，并取得了一定的成果。 针对这样的现状，我们本着学习研究的态度和科学创新的思想，提出了一种利用微型波浪能发电的新方案。系统的方案设计以磁生电原理为基础，以收集、利用微浪能量为目标，针对实际问题，在研究创新过程中解决遇到的技术难点，设计制作了“新概念微浪发电子”原理样机，并获得了稳定的电流输出，验证了微浪发电的科学性和可行性。本作品由机械模块，电能转换模块，储电模块组成，具有结构紧凑、可靠性高、成本低等特点。整个研究过程取得圆满的成功。 创新点： 1．理念创新：定义了微浪发电子的概念，提出一种利用微浪发电的全新理念 2．分布式投放：微浪发电子采用分布式高密度投放于海洋和滩涂 3．微动发电：微浪发电子是微型高效的机电一体化的电器，有效利用20厘米以下的微浪发电 4．微功耗：采用高效节能设计，降低自身能量损耗，提高整体能量转换效率，面向微功耗电子设备。 技术关键：系统以磁生电理论为指导，采用钟摆式结构，在保证线圈低损耗同时，把杂乱、方向无序的电流经整流滤波后，储存在法拉电容或蓄电池中，结构稳定，可靠性高，对海洋生态环境无影响。 主要技术指标：我们通过样品进行上百次试验，得到5个发电子并联实验数据：（平均值）U=1901mV；I=89.8mA；P=170.6mW。
科学性、先进性
- 本作品在对磁生电原理灵活运用下，开创了一种全新微波浪发电方式。即采用磁铁作为运动件，线圈为固定件，利用磁铁运动使线圈切割磁感线产生电流的发电方案,直接将微波浪能转化为电能，这是一种与目前波浪发电所采用的先转为机械能再转换为电能不同的方式。 将每个微浪发电子体积压缩到最小，有利于利用小于20厘米的微波浪实现发电。微型化的设计使本作品克服了目前海浪发电装置体积大型化所导致的无法响应捕获波高较低的微浪的缺陷。微浪发电子设计为整个发电网络的一个最小单元，由多个发电子构成网络化供电系统向电子系统提供能量，以这种方式产生的电能是相当可观的。整体网络化具体单元式的设计思想使得本作品调整维修方便。网络线状发电系统可以直接分布在沿海领域，无须为此建立大型土木改变环境原貌，能够有效降低成本并使发电系统建立更加便利——仅需把连好的发电系统散在海中，把储能部分放置岸边即可，可减少维护难度，而且对使用海域无环境负面影响，是理想且成本低的发电方式。这样的研究设想将成为解决未来能源困境的一个有效思路。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 走出实验室，进入实地测试阶段
技术转让方式
- 协商定
作品可展示的形式
- 实物、产品；模型；图片；录像；样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本系统可应用于不同类型的电力供应系统，如航标灯电源、船舶电力供应、海洋沿岸养殖业、偏远岛屿供电等。而与其他能源发电方式混合使用可提高系统稳定性，应用前景广阔。其最终设计目标可达到优化电网的电力分配，实现用户与电网的双向输电的目的。超导材料的逐步应用和微功耗电子技术的进展都将使这种发电系统获得更为广泛的实际应用。 本作品设计过程始终贯彻“结构简单、微型化、低成本”原则，目的在于解决传统海浪发电机中存在的 “三高两难”问题。新概念微浪发电子作为网络单元由电路模块、机械模块以及储电模块组成，整体系统采用分布式投放，具有高密度分布，使用灵活，维修更换难度低，发电系统的实施不影响海洋生态环境的特点。 系统设计简单易加工，有助于应用推广。由于目前市场上磁材料、电子元件等的限制，本作品发电功率受到一定影响。如获得更理想材料，设计更优化的发电结构，可以进一步扩大系统的使用范围。由于所运用的理论及元件技术较为成熟，在实际运用时可以与现有发电方式形成互补，取得较好的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 波浪能的利用可以追溯到18世纪，1799年法国人取得世界上第一个波浪发电专利。1910年法国人试制了世界上第一个波浪发电装置，1kW垂直固定式的空气透平波浪发电机。19世纪中叶，发明家们开始对波浪能利用产生浓厚兴趣，在 1856年到1973年间仅在英国申请的专利有350件。1978年，日本成功发明利用波浪能驱动空气活塞发电装置，发电量达100kW。20世纪70年代初英国在新能源计划中把海洋波浪能列为首位，1975年能源部成立波能开发委员会，到1980年累积投入上千万英镑，由实验室对20多种波浪能转换装置进行研究，筛选出几种大规模波浪发电方案，例如索尔特点头鸭式、科克里尔筏式、海蚌式、整流器式、振荡水柱式等。在此期间，瑞典、丹麦、法国、葡萄牙、西班牙、美国、印度和中国等国相继开展了波浪能转换的研究，并在海上建立发电装置。 至今为止全世界已研制成功几百种不同波浪发电装置，主要可归纳为四类：一是浮力式，利用海面浮体受波浪上下颠簸引起的运动，通过机械传动带动发电机发电；二是空气气轮机方式，利用波浪的上下运动，产生空气流，以推动空气气轮机发电；三是波浪整流方式，该装置由高、低水位区及不可逆阀门组成，当该装置处于浪峰时，海水由阀门进入高水位区：当它处于波谷时，高水位区的水流向低水位区，再流回海里，这种装置就是利用两水位之间的水流推动水型水轮发电机工作；四是液压方式，即利用波浪发电装置的上下摆动或转动，带动液压马达，产生高压水流，推动涡轮发电机。 目前已经开发利用的波浪能发电装置原理分为3种：①利用海面波浪的横向或纵向运动产生空气流或水流而使轮机转动；②利用波浪前后装置前后摆动或转动产生空气流或水流而使轮机转动；③把低压大波浪变为小体积高压水，然后把水引入某一高位水池积蓄起来，使其产生一个水头，冲动水轮机。 总体来说，波浪能利用技术尚不成熟。从已经研究出的波浪发电装置或实验电站来看，仍无法判断哪种方式更利于人类应用。这些装置普遍存在以下问题：投入成本高、运营风险高、技术门槛高、成本回收难、规模推广难，即“三高两难”问题；此外在机械机构方面，复杂笨重无法捕获高度较低的微型波浪也是现在发电装置通存的问题。而对于周围人文、自然环境产生的破坏也在很大程度上限制了海浪发电装置的发展。
