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波浪能收集技术打造全天候自供能远海观测装备，助力构建全时空、长时间“海洋立体观测网”

时间：2022-09-29 来源：浏览：

波浪能收集技术打造全天候自供能远海观测装备，助力构建全时空、长时间“海洋立体观测网”

Energist 能源学人

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近日，苏州大学机器人与微系统研究中心刘会聪教授、孙立宁教授团队与中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室（POL）陈朝晖教授团队合作，在海洋波浪能收集与深远海观测装备自供能续航研究领域取得突破进展，彰显了波浪能收集技术从实验室到远海观测应用的里程碑式跨越。团队针对海洋观测平台长时间无人值守下远海观测工作的可持续供能需求，提出基于超低频混沌摆俘能和升频激励换能机制的超低频高密度波浪能收集器，突破超低频、多方向、随机海况下波浪能俘能、换能效率低的关键瓶颈问题，实现对平台观测装备续航赋能。高功率波浪能收集系统内置于黑潮及延伸体海洋观测平台，在西北太平洋海域首次实现4个月波浪能补充续航观测工作，同时结合换、俘能机构内在驱动的关联作用建立电信号-动力学的逆向解析模型，精准分析波浪特征，实现对中纬度海洋动力过程研究的辅助观测。相关研究成果以“高效内置式波浪能收集技术：从实验室走向远海”（High-efficient built-in wave energy harvesting technology: From laboratory to open ocean test）为题，发表于国际顶级期刊《应用能源》（Applied Energy）上，苏州大学机器人微系统研究团队的李云飞博士与陈朝晖教授团队的马昕教授为论文共同第一作者，刘会聪教授和陈朝晖教授为本文的共同通讯作者，参与该论文的还有哈尔滨工业大学查富生教授、苏州大学孙立宁教授、硕士生汤添益。《应用能源》为Elsevier出版社旗下的能源领域国际顶级期刊，中科院JCR分区为一区，影响因子为11.446。该期刊致力于报道能源科学领域在创新、研究、发展和示范方面取得的突破性进展，以其高质量的内容和高影响力而闻名。

海洋蕴含丰富可再生资源，也是全球气候的重要调节器，为人类未来可持续发展发挥着重要作用。构建全球立体观测网，实现海洋长时间、全时空的多学科综合观测，对全球科学观测、海洋资源开发和海洋环境认知具有重要的战略和科学意义。海洋观测系统在移动与收集各项传感数据过程中会消耗大量电力，依靠自身携带大容量电池和降低自身能耗难以满足观测需求。开发新的海洋能源收集技术，在长期自供能的全球海洋观测方面具有很强的应用前景。

该研究开发了一种完全集成在海洋观测平台内部的全方向、高效率的波浪能收集（Wave energy harvesting, WEH）系统，同时实现了能量采集和自供电海洋波浪传感监测。基于混沌摆的俘能设计和高效的电磁耦合换能技术，在浪高20cm、周期1s的超低频波浪激励下，实现了520mW的高功率输出和0.66mW/cm ³ 的输出功率密度。通过内置式WEH系统与浮标的完全集成，成功实现黄海海域为期一个月的近海试验以及西北太平洋黑潮延伸体海区（KE）为期四个月的远海试验。在近海试验中，浮标自主定位传感器的工作时间从10天大幅延长至25天，延长2.5倍。在远海实验中，内置式WEH系统能够在黑潮延伸体海区（全球海洋和大气动力过程最活跃的区域）中长期稳定工作。在浪高0.4m至2.2m、周期4.2s至7.2s海况下，最大输出功率达到210 mW，平均输出功率达到24.5mW。与此同时，电压数据通过铱星通讯回传，用于对海洋浪高和周期的实时传感监测与评估。经实验验证，内置式WEH系统不仅能为海洋观测平台提供充足的能量以延长其使用寿命，还可以作为一个自供电波浪传感器来协助海洋监测。这项工作彰显了WEH技术从实验室原型机到实际远海应用的一个里程碑式的跨越。

图1 用于深远海自供能与波浪监测的内置式WEH系统：（a）全球海洋观测系统（GOOS）；（b）GOOS中的各种海洋观测平台；（c）内置WEH系统的组成和应用。

图2 (a)远海测试实验中，集成内置式WEH系统的观测浮标、海试区域以及海试现场照片；(b)试验期间的波高、周期的变化，以及相应条件下卫星通讯回传的输出波形；(c)海浪波高、周期解析值和观测值的对比。

Yunfei Li, Xin Ma, Tianyi Tang, Fusheng Zha, Zhaohui Chen, Huicong Liu, Lining Sun, High-efficient built-in wave energy harvesting technology: From laboratory to open ocean test, Applied Energy, 2022.

https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2022.119498

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