《Desalination and Water Treatment》：Modeling and Simulation of a McKibben-Type Wave Energy Converter for Reverse Osmosis Desalination
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本研究提出一种新型直接波浪能驱动反渗透（RO）海水淡化系统架构，该架构采用McKibben型液压执行器（MTA）实现无密封圈波浪能取能（PTO）。通过基于MATLAB/Simulink的仿真模型评估系统压力可行性并预测淡水产量。仿真结果表明，该系统能够建立并维
本研究提出一种新型直接波浪能驱动反渗透（RO）海水淡化系统架构，该架构采用McKibben型液压执行器（MTA）实现无密封圈波浪能取能（PTO）。通过基于MATLAB/Simulink的仿真模型评估系统压力可行性并预测淡水产量。仿真结果表明，该系统能够建立并维持RO膜运行所需的操作压力（70 bar），并提供有前景的进料流量。研究人员针对传统直接波浪能RO系统中活塞式水液压执行器存在的摩擦、泄漏和密封退化等问题，提出以软体、柔性McKibben型执行器替代传统活塞-缸体执行器，从而减少滑动界面并增强耐腐蚀和耐磨损性能。研究采用理想化正弦波假设，在不同波幅（H=0.20 m和0.25 m）和波周期（T=3.0 s、6.0 s、9.0 s）条件下进行仿真，系统分析执行器长度变化、RO膜入口压力、进料流量及液压捕获宽度比（HCWR）。结果表明，RO膜入口压力在0.3T内迅速升至70 bar并稳定振荡于该压力以上，验证了MAWEC系统持续产生RO膜所需压力的能力。在最佳波幅条件下（H=0.2 m），执行器长度利用率为89.6%，波位移利用率为69%。系统在短周期波浪条件下响应更为有效，HCWR与现有升沉式波浪能系统相当。研究人员指出，当前设计需进一步优化系统尺寸和自然频率以改善长周期波浪性能，并需开展实验验证、材料非线性建模及长期耐久性测试。研究为正渗透膜法海水淡化提供了一种具有潜力的无密封圈直接波浪能驱动方案。
研究背景方面，据WHO/UNICEF联合监测计划（JMP）统计，截至2020年全球超过25%人口无法获得安全管理的饮用水，近50%人口缺乏安全卫生设施。海水淡化可为沿海地区提供水资源保障，反渗透（RO）技术在全球海水淡化市场中占据主导地位。RO系统需将海水加压至55至70 bar以克服渗透压驱动海水通过RO膜，传统淡化厂依赖化石燃料供电，能耗显著。风能和太阳能虽被用于供电，但受天气影响大且需昂贵的储能设施。波浪能因与海水同处沿海区域、具有可预测性和持续可用性，成为驱动海水淡化的理想低成本可再生能源。波浪能RO系统分为间接式和直接式两类：间接式通过波浪能转换器发电，虽可独立开发子系统并易于集成商业方案，但存在波浪能转换器功率系数有限、多次能量转换损失及液压油泄漏环境风险等问题；直接式利用水液压执行器（WHA）将波浪能浮子往复运动直接转换为高压流，消除多次能量转换环节，可显著降低能量损失并提高整体效率，相同波浪能输入下淡水产量可达间接式的三倍。然而，WHA内部摩擦和泄漏严重影响系统效率与可靠性，海水与WHA组件直接接触缩短使用寿命并带来材料选择和制造挑战。McKibben型执行器（MTA）由内部弹性囊体和外部编织纤维套筒组成，能以较低结构复杂度直接将直线运动传递为流体压力，无滑动部件且采用非金属材料，可避免易磨损泄漏的滑动密封并减少暴露于海水的易腐蚀金属部件。本研究提出新型MAWEC海水淡化系统设计，通过MATLAB/Simulink模型评估压力可行性并预测淡水产量，已提交临时专利申请。
研究方法方面，MAWEC系统采用直接机械-液压架构，通过McKibben型执行器将波浪振荡运动转换为适合RO淡化系统的加压海水。海洋波浪通过浮力驱动浮子，波浪能经固体连接通过往复运动机械传递至执行器，执行器周期性变形导致腔体体积变化，从而加压给入RO膜的海水。水管道系统包括McKibben型执行器、两个单向阀和RO膜：海平面上升时执行器拉伸，腔体体积减小压力升高，单向阀1关闭、单向阀2打开，海水加压后通过RO膜完成淡化；海平面下降时执行器松弛，腔体压力降低使单向阀2关闭、单向阀1打开，环境海水被吸入执行器腔体。研究建立MATLAB/Simulink模型，包含波浪模拟子系统、浮子子系统、McKibben型执行器子系统和流量输出子系统四个互连模块。模型初始条件设定为：海洋水位h处于最小参考位置（波谷，h?=0）；浮力F_B恰好平衡系统重量，净浮力F_B=0，浮子初始位置z?=0；系统内部水压等于环境海洋压力，表压P?=0；执行器处于完全松弛状态，假设中性编织角θ?=54.7°。时间序列海洋水位采用理想化规则正弦波，振幅H、周期T，符合规则波线性波浪理论。设计水深h_w=3 m代表常见沿海波浪条件，采用中等水深波浪理论求解波长λ。浮子动力学及浮力通过浮子子系统估算，假设圆柱形浮子直径D_b且长度足够。摩擦力F_f采用双曲正切函数模拟MTA非线性阻力行为。附加质量m_A表示浮子振荡运动时加速的流体，采用排水体积建模。辐射阻尼力F_r采用一阶估计。浮子瞬时加速度由合力确定，速度和位置通过积分获得。McKibben型执行器的几何行为、压力和流量通过执行器子系统模拟，执行器长度L和直径D可表示为单纤维总长度b、螺纹数n和螺纹与轴向夹角θ的函数。执行器体积变化dV通过微分关系表达，归一化后得到相对体积变化与纤维角度的关系，证实执行器体积在拉伸过程中减小且θ较小时更为有效。利用能量守恒，执行器轴向力F_a可表示为内压P和dV/dL的函数。执行器松弛状态对应θ?=54.7°时F_a=0。为模拟执行器几何约束，设定执行器长度上限对应θ=20°。输出流量Q通过dV/dt计算，假设浮子与执行器固体连接则v_z=dL/dt。单向阀模拟设定当dL<0时P=0且Q=0，假设包括零开启压力、无反向泄漏及足够流通能力。弹性力F_e采用恒定杨氏模量E=1.5 MPa估算。执行器行为添加300 ms一阶传递函数模拟。系统压力建立和输出流量通过流量输出子系统估算，执行器拉伸时（dL>0）压力通过体积模量关系估算，压力升高打开单向阀2并增加进入RO膜的压力。研究假设单向阀2与RO膜之间体积为执行器体积的100倍，代表浮子上连接执行器与RO膜的管道估计内部体积。研究采用压力释放阀模拟给入RO膜系统的海水压力和流量。假设海水盐度35 g/L（对应0.6 mol/L摩尔浓度），17摄氏度下海水渗透压估算为28.5 bar，考虑浓缩盐水渗透压约两倍增加及RO运行所需净驱动压力，设定压力释放阀开启压力P_c=70 bar，满足大多数海水RO膜运行压力要求。阀门行为采用孔口流量方程模拟。研究测试多种海洋波浪条件，包括两个代表性波幅（H=0.20 m和0.25 m），其中0.20 m波幅与执行器长度范围良好匹配，0.25 m波幅超出当前执行器行程设计属非设计波浪条件。波周期包括短周期3.0 s（实验室级）、中周期6.0 s（如波多黎各）和长周期9.0 s（如阿拉斯加）。
研究结果方面，通过超过16个周期的仿真，记录执行器长度、执行器内压力、RO膜入口压力和执行器输出流量。所有波浪条件下参数在第2个波浪周期后趋于稳定周期性。压力可行性方面，RO膜入口压力在0.3T内迅速升至70 bar并稳定振荡于开启压力（70 bar）以上，证明MAWEC能够持续产生RO膜所需压力。所需最大浮力对应直径1.2 m浮子0.156 m吃水变化，在实际应用中合理。系统性能方面，在最佳波幅（H=0.2 m）下，执行器长度从松弛长度0.492 m变化至最大0.768 m，利用执行器最大范围的89.6%和波位移的69%；较高波幅（H=0.25 m）下执行器达到0.8 m安全长度限值。所有波浪条件下，周期前13.5%时间内执行器内压力建立至压力释放阀开启压力，单向阀2关闭无输出流量；随后执行器内压力达到开启压力并与RO膜连通。执行器在周期50.1%处开始松弛，内部压力下降吸入海水。时间平均输出流量在短周期（T=3 s）和匹配波幅（H=0.2 m）条件下为0.64 L/min。与直接波浪能驱动活塞泵RO系统相比，MAWEC系统能够提供RO进料压力及相当或更高的进料流量。执行器反力由浮力平衡，峰值压力、峰值执行器力和进料流量随波周期增加而降低，表明当前MAWEC系统尺寸对短周期波浪响应更有效；较长周期产生较低激励加速度，浮子惯性力减小，传递至执行器的力降低，导致液压压力生成和进料流量减少，需优化系统尺寸以改善长周期波浪性能。液压捕获宽度比（HCWR）定义为平均进料液压功率与波浪功率之比，短波周期（T=3 s）和较好匹配波幅（H=0.2 m）条件下MAWEC系统HCWR与现有升沉式系统实验和数值分析相当，HCWR随波周期增加显著降低，随波高增加而降低主要归因于执行器行程限制，表明修改系统尺寸和自然频率匹配波浪条件可提高HCWR。尽管不同波浪条件下HCWR变化，MAWEC系统能够在各种研究波浪条件下快速建立并维持RO膜所需约70 bar的进料压力，证明其压力生成和调节能力。研究指出，McKibben型执行器因无滑动部件架构和非金属材料可减少密封相关磨损和易腐蚀金属部件暴露，但这些特性不必然确保长期结构耐久性；在低于0.4 Hz的研究频率下，执行器每年运行超过千万次加载循环，大循环变形可导致弹性囊体疲劳和裂纹萌生，编织套筒可能经历纤维疲劳、与囊体磨损及端部接头附近局部损伤。研究存在多项局限性：结果基于仿真模型需实验验证；研究聚焦压力生成和进料流量分析，未建模RO膜包括渗透液产量、脱盐率和回收率；仿真在理想化正弦波下进行，未考虑不规则海况和极端条件；系统初始条件采用强假设，如执行器松弛长度对应中性编织角54.7°，浮子动态响应、执行器位移、进料流量和执行器力可能随静止状态值变化而定量偏移，未来可开展实验校准完善模型；执行器采用理想化机械和液压特性建模，未考虑材料非线性、滞后、衍射和粘性效应；单向阀采用强假设简化包括零开启压力、无反向泄漏和足够流通能力；模型未考虑囊体和编织物疲劳、磨损和裂纹，因此仿真展示短期液压可行性但未考虑长期耐久性和系统寿命。
讨论部分总结，本研究提出并分析了一种由McKibben型执行器作为波浪能转换器直接驱动海水加压的海水淡化系统。传统直接波浪能RO系统通常采用活塞式水液压执行器，常因海水环境中摩擦、泄漏和密封退化而遭受效率损失。所提出的MAWEC淡化系统通过引入软体、柔性执行器最小化滑动界面并增强耐腐蚀和耐磨损性能来解决这些局限。MATLAB/Simulink结果表明MAWEC系统能够可靠产生并维持RO膜所需高压，入口压力稳定在70 bar以上；执行器实现有效位移利用并产生稳定周期性流量，证实其将振荡波浪运动转换为可用液压能的能力。未来工作将聚焦实验验证、模型校准和不规则波浪条件研究；开发包含材料超弹性模型、衍射和粘性动态模型的精细化模型；优化系统尺寸和自然频率以提升系统效率；建模RO膜以进一步估算淡水产量；研究膜尺寸、平行膜配置及与蓄能器集成对进料流量容量和压力调节的影响；纳入上游海水预处理阶段评估生物污垢控制和预处理压力损失对淡水产量的影响；计划开展波浪水槽实验室规模验证实验和真实海洋条件下长期实验验证，包括长期疲劳和海水暴露测试以确保耐久性。
