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，所在课题组近年来在海洋能量收集应用研究方面取得系列进展。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。相关成果以“Marine energy harvesting from tidal currents and offshore winds: A 2-DOF system based on flow-induced vibrations”为题在国际能源领域权威期刊Nano Energy发表。

       为了实现“双碳”目标，大多数国家都制定了减少化石燃料消耗，同时加快可再生能源开发的目标和计划。在全球范围内，截至2050年，可再生能源在总发电量中的份额应达到90%，超过63%的发电量应来自各种可再生能源。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。

研究人员发现，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的整合以及充分的利用。另一方面，考虑到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。

基于上述背景，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。如图1 (a)所示，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。

与针对单一可再生能源的能量回收方案相比，该能量收集系统因其独特的能量传输机制具有更好的环境适应性和能源结构灵活性。如图1(b)和(c)所示，当离岸风能或潮流能处于间隙状态时，从流体能量中转换得到的机械能可以在两个自由度间传输和重新分配，进而带动两个自由度对应的发电机同时发电。此外，该能量传输机制还能在一定程度上提高了系统的安全性。由于海洋环境复杂多变，当离岸风能或潮流能具有破坏性时，对应自由度过载的机械能可以传输到另一个自由度进行耗散，从而提高系统的振动可靠性。

                 图1 (a) 两自由度海洋能量收集系统的应用场景及其结构组成示意图。两自由度海洋能量收集系统的典型工作模式：(b) 模式1：能量从第一自由度转移至第二自由度；(c) 模式2：能量从第二自由度转移至第一自由度。

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。上述研究结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。

刘金龙为论文第一作者，合作作者包括南科大力学与航空航天工程系硕士生陈嘉彤（现为哈尔滨工业大学博士生），南科大力学与航空航天工程系研究副教授包斌，深圳大学土木与交通工程学院教授吴宇飞，南科大力学与航空航天工程系讲席教授、汕头大学执行校长王泉院士。南科大为论文第一单位。本研究得到了深圳市科技创新委员会、广东省教育厅和国家自然科学基金委员会等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108664 

供稿：力学与航空航天工程系

通讯员：史露静

主图：丘妍

编辑：朱增光