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胡新华,2008年10月被复旦大学先进材料实验室引进为研究员,主要研究方向为微型激光、声子晶体、光子晶体、特异介质、液体表面波在周期结构中的传播等。在国际学术期刊上发表25篇SCI论文
海浪的高度一般不超过5米, 可是它冲击海岸时却能激起二三十米高的浪花。海浪中蕴含着大量的能量,如果能被有效利用,必将造福于人类。所以,“驯服”它们,并为人所用,一直是科学家追寻的目标。从上世纪70年代起,人们就开始了对海浪发电装置的研究,比如低频共振器,就是一个收集海浪能的好帮手。
复旦大学先进材料实验室和材料科学系的胡新华研究员及其合作者发布的“水波在共振器阵列中的传播”的完整理论,在未来将会大大提高低频共振器在收集海浪能时的效率。这项研究成果,在最新一期的国际顶尖学术期刊《物理评论快报》上发表。
胡新华告诉记者,水分子只会在小范围内周期性地运动,但是这种运动的能量却会通过波的形式传递到远方,这就形成了海浪。而低频共振器所产生的频率如果在海浪频率附近时,就能拦住海浪的去路,并形成一个特殊“筛子”,使水分子流过,而将海浪波携带的能量收集起来。
目前,国外的海浪能发电运用的都是单个低频共振器。工程师们为了使海浪能的转化率更高,对单个共振器进行了大量的研究,比如通过改进共振器的形状、大小、尺寸、结构等。为了实现海浪能发电的规模化和低成本,必须把共振器的数量增多,形成一个由多个共振器组成的阵列。
共振器阵列协同“作战”的想法固然很好,但是对于共振器阵列的研究却显苍白。胡新华告诉记者,如果只简单叠加低频共振器的数量,1+1的结果要小于2。多个共振器之间的作用有着很复杂的关系,只是简单的数量叠加,并不能发挥出最大的效果。
然后,在水波的叠加效应下,多个共振器到底会使水波产生怎样的变化,共振器到底应该怎样调整才能使效能最优化,这些内容在当时并不清楚,而且也没有一套科学的方法来研究。所以胡新华和他的合作者,创新性地把超构材料的研究方法拓展到水波研究中。在他们的研究成果中,给出了水波在共振器阵列中传播的完整理论并加以验证,且精确测出了共振器吸收海浪的效能和反射的水波。
利用超构材料的方法研究水波,解释起来并不复杂。胡新华说,氯化钠晶体就是一种超构材料,它是由氯离子和钠离子排列形成的晶体结构,离子间距大概为半个纳米。虽然这个结构很复杂,但是在波长为几百纳米的可见光看来,它却是一个简单的均匀材料:只需要用一个折射率,即可描述这个复杂结构对光的折射和反射。这虽然是研究光波的一种方法,胡新华和他的合作者就是将这套方法应用到了水波的研究中。
“我们推导出了两个等效参数,就像光线在氯化钠晶体中传播可以用折射率描述一样,水波在共振器阵列中的传播就可以用这两个等效参数来描述。”胡新华说,利用这个参数,低频共振器阵列的效果就能被推导出来。
这套研究方法对于实际应用来说意义重大。胡新华告诉记者,对于海浪能发电来说,研发的成本是最大的。与陆地上风能、太阳能不同,一个海上的试验平台,不论是运输还是设备成本都是很高的。所以在海洋上进行的科学研究,不能经常用实物来进行试验,而必须是在做足理论研究,确定足够可行性后,才能付诸实践。所以对于研究多个共振器组成的阵列,这样的理论研究尤为重要。
未来,这项理论将会对海浪能发电厂的设计产生积极影响,并为新型能源的推广扫除技术上的障碍。
海浪的高度一般不超过5米, 可是它冲击海岸时却能激起二三十米高的浪花。海浪中蕴含着大量的能量,如果能被有效利用,必将造福于人类。所以,“驯服”它们,并为人所用,一直是科学家追寻的目标。从上世纪70年代起,人们就开始了对海浪发电装置的研究,比如低频共振器,就是一个收集海浪能的好帮手。
复旦大学先进材料实验室和材料科学系的胡新华研究员及其合作者发布的“水波在共振器阵列中的传播”的完整理论,在未来将会大大提高低频共振器在收集海浪能时的效率。这项研究成果,在最新一期的国际顶尖学术期刊《物理评论快报》上发表。
胡新华告诉记者,水分子只会在小范围内周期性地运动,但是这种运动的能量却会通过波的形式传递到远方,这就形成了海浪。而低频共振器所产生的频率如果在海浪频率附近时,就能拦住海浪的去路,并形成一个特殊“筛子”,使水分子流过,而将海浪波携带的能量收集起来。
目前,国外的海浪能发电运用的都是单个低频共振器。工程师们为了使海浪能的转化率更高,对单个共振器进行了大量的研究,比如通过改进共振器的形状、大小、尺寸、结构等。为了实现海浪能发电的规模化和低成本,必须把共振器的数量增多,形成一个由多个共振器组成的阵列。
共振器阵列协同“作战”的想法固然很好,但是对于共振器阵列的研究却显苍白。胡新华告诉记者,如果只简单叠加低频共振器的数量,1+1的结果要小于2。多个共振器之间的作用有着很复杂的关系,只是简单的数量叠加,并不能发挥出最大的效果。
然后,在水波的叠加效应下,多个共振器到底会使水波产生怎样的变化,共振器到底应该怎样调整才能使效能最优化,这些内容在当时并不清楚,而且也没有一套科学的方法来研究。所以胡新华和他的合作者,创新性地把超构材料的研究方法拓展到水波研究中。在他们的研究成果中,给出了水波在共振器阵列中传播的完整理论并加以验证,且精确测出了共振器吸收海浪的效能和反射的水波。
利用超构材料的方法研究水波,解释起来并不复杂。胡新华说,氯化钠晶体就是一种超构材料,它是由氯离子和钠离子排列形成的晶体结构,离子间距大概为半个纳米。虽然这个结构很复杂,但是在波长为几百纳米的可见光看来,它却是一个简单的均匀材料:只需要用一个折射率,即可描述这个复杂结构对光的折射和反射。这虽然是研究光波的一种方法,胡新华和他的合作者就是将这套方法应用到了水波的研究中。
“我们推导出了两个等效参数,就像光线在氯化钠晶体中传播可以用折射率描述一样,水波在共振器阵列中的传播就可以用这两个等效参数来描述。”胡新华说,利用这个参数,低频共振器阵列的效果就能被推导出来。
这套研究方法对于实际应用来说意义重大。胡新华告诉记者,对于海浪能发电来说,研发的成本是最大的。与陆地上风能、太阳能不同,一个海上的试验平台,不论是运输还是设备成本都是很高的。所以在海洋上进行的科学研究,不能经常用实物来进行试验,而必须是在做足理论研究,确定足够可行性后,才能付诸实践。所以对于研究多个共振器组成的阵列,这样的理论研究尤为重要。
未来,这项理论将会对海浪能发电厂的设计产生积极影响,并为新型能源的推广扫除技术上的障碍。