研究人员提出一种两自由度的海洋能量收集系统

近日，南方科技大学力学与航空航天工程系2021级博士生刘金龙及合作者的提出了一种面向海洋能量收集的潮流能和离岸风能互补利用新方案。该方案基于两自由度流固耦合动力学系统和电磁/摩擦电能量转换技术，可用于海洋环境中潮流能和离岸风能的互补回收，将为可再生流体能源的开发和应用注入新动力。相关成果发表于《纳米能源》。

研究示意图 南科大供图

海洋环境中的潮流能和离岸风能作为储量丰富的可持续能源，在全球能源系统的转型中扮演着重要的角色。近年来，由于在低速流体能量回收和利用方面的高效性，基于流致振动的风能、潮流能收集方案得到了广泛的研究。

研究人员指出，目前对可再生能源回收的研究中仍有两个问题亟需解决。一方面，海洋环境中存在丰富的可再生能源，如太阳能、离岸风能、波浪能、潮流能、温差能和盐度梯度能，这些能源应该得到有机整合及充分利用。另一方面，可再生能源固有的间歇性、较低的能源结构灵活性显著限制了当前基于单一可再生能源的能量回收方案的进一步发展和大规模应用。

对此，研究人员提出了一种两自由度的海洋能量收集系统，以同时从潮流能和离岸风能中回收能量。据介绍，该能量收集系统主要由配有钝体结构的两自由度弹簧振子系统和电磁或摩擦电能量转换模块组成。在潮流和离岸风的作用下，钝体后缘的脱落涡会为系统的两个自由度提供周期性的激励力，进而使能量收集系统发生流致振动。然后，两个自由度的振动可以通过机构分别带动对应的电磁发电机或摩擦纳米发电机工作，从而产生电能。因此，该能量收集系统可以为用于海洋环境监测和科学研究的无线传感网络持续供电。

与目前针对单一可再生能源的能量收集方案相比，该研究提出的两自由度海洋能量收集方案在最大转换功率、能量转换效率、环境适应性（来流速度）、能源结构灵活性方面展现出优异的综合性能。

据介绍，该成果展现了两自由度海洋能量收集方案在促进无线传感网络实际应用中的巨大潜力，同时也将为电磁发电机和摩擦纳米发电机在海洋能量回收中的发展提供新思路。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108664