張 宇,王 昊,相 城,徐敏義

(大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 大連市海洋微納能源與自驅(qū)動系統(tǒng)重點實驗室,遼寧 大連,116026)

0 引言

水下立體觀測網(wǎng)絡(luò)是以海底觀測網(wǎng)絡(luò)為主體,移動觀測網(wǎng)為擴(kuò)展的水下立體觀測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過有線或無線的方式,借助水下及海底傳感器、自主水下航行器等固定或移動平臺(如圖1 所示),對海洋噪聲、海洋污染、海水流動規(guī)律以及海底地形變化等進(jìn)行全方位立體化的觀測與信息采集[1-4],在水下環(huán)境監(jiān)測、海洋資源開發(fā)和國防安全保護(hù)等方面具有重要的應(yīng)用價值[5-9]。

圖1 水下觀測網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Underwater observation network

目前,各類水下觀測設(shè)備已形成初步體系,但供能問題始終是制約水下觀測系統(tǒng)長時間工作的主要瓶頸。圖2 顯示了部分水下觀測設(shè)備的能耗,包括濁度、鹽度和壓力傳感器[10-11]以及水下移動觀測平臺等。微型水下傳感器通?？上聺撝了?00 m,最大潛深可達(dá)6 000 m,功率大多數(shù)在10 W以下[12]。這些傳感裝置既可以單獨放置于水下,也可裝配在無人航行器中進(jìn)行水下勘測任務(wù)。對于水下移動觀測平臺而言,長度不超過1 m 的水下小型探測航行器功率通常在100 W 以內(nèi),最大續(xù)航能力不超過24 h[13]。其中,天津大學(xué)王延輝教授等[14]對水下滑翔機(jī)的能耗進(jìn)行了詳細(xì)分析,并指出電池電源是限制水下航行器工作時間的關(guān)鍵因素。水下觀測系統(tǒng)的傳統(tǒng)供電方式主要包括電池供電和電纜供電,其具有成本高、維護(hù)難等問題。以搭載蓄電池供電的水下航行器為例,頻繁回收至岸上充電與再投放入海不僅降低設(shè)備工作效率,也會消耗大量人力物力。對于能耗較低的潛標(biāo),傳統(tǒng)的電池供電雖能夠驅(qū)動其在水下工作較長時間,但較大的電池體積阻礙了潛標(biāo)的小型化。并且,大容量高功率電池的安全性也面臨著挑戰(zhàn)[15]。此外,對于海底觀測網(wǎng)絡(luò)而言,傳統(tǒng)的海底電纜供電模式會限制觀測設(shè)備的空間布置,對海洋探索也會存在一些局限性。

圖2 部分水下裝置能耗圖Fig.2 Energy consumption diagram of some underwater devices

為提升水下觀測網(wǎng)絡(luò)的續(xù)航能力,基于水下能量捕獲的原位供電技術(shù)受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。通過水下能量捕獲裝置將海洋能量轉(zhuǎn)換為電能直接供給至水下觀測設(shè)備,是一種很有潛力的解決方案[16]。

目前,海流能、波浪能、溫差能及光能驅(qū)動的水下觀測裝置已有相關(guān)研究[17-20]。在眾多海洋能量形式中,海流能與波浪能因具有分布范圍廣、能量密度高等特點,有望成為水下觀測網(wǎng)絡(luò)的主要能量來源[21],通過水下能量捕獲裝置與水下立體觀測網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的新型供電方式在海洋原位供電領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景[22]。

1 水下能量形式

水下能量形式豐富,包括海流能、波浪能、溫差能、鹽差能和光能等,如圖3 所示。由于海水密度的差異、海上風(fēng)力的驅(qū)使以及行星引力的影響,在水下會形成覆蓋大部分水深的海流,且由于渦激振動以及流致振動效應(yīng)的影響,海流在穿過某些障礙物時會形成不穩(wěn)定的渦流[23]。波浪能則是風(fēng)將動能傳遞給表層海水所形成的。海水可以高效且穩(wěn)定的將太陽能儲存在自身內(nèi)部繼而形成溫差能。在江河入海口處,由于海水與淡水間鹽濃度的差異,含鹽量高的海水會向淡水進(jìn)行擴(kuò)散以平衡鹽度差,從而釋放出鹽差能。

圖3 水下能量分布區(qū)域Fig.3 The distribution of underwater energy

上述能量形式中,鹽差能能量密度較低,暫不適合對水下觀測裝置進(jìn)行能量供給。太陽光在水下的穿透能力較弱,這使得大多數(shù)水下觀測裝置無法依靠收集光能進(jìn)行工作。海流能和波浪能具有分布范圍廣、能量密度高等優(yōu)勢,在水下觀測網(wǎng)絡(luò)供電領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。海洋溫差能具有總儲量高、輸入穩(wěn)定性較強、晝夜波動小、不受氣象與海況因素影響的特點,在水下裝備能量供給領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值[24-25]。近年來,應(yīng)用于水下滑翔機(jī)的溫差供電技術(shù)不斷發(fā)展并取得良好成果[25]。由于篇幅受限,文中重點介紹基于海流能與波浪能供電的水下能量捕獲裝置。

海流的功率與流速、海水密度等參數(shù)有關(guān)[26],即

式中: P 為海流功率;ρ 為海水密度;A 為流通面積;U 為海水流速。據(jù)統(tǒng)計,世界范圍內(nèi)海流能總儲量可達(dá)3.6 TW[27]。由圖4 所示[28],當(dāng)海流速度在1 m/s 以上時,功率密度可超0.5 kW/m2。

圖4 不同海流流速所對應(yīng)的能量密度Fig.4 Power densities of different ocean current velocities

波浪能同樣具有持續(xù)性好、能量密度較高等優(yōu)點。據(jù)統(tǒng)計,世界范圍內(nèi)的波浪能儲量約為3 TW[27],與太陽能和風(fēng)能相比,其能流密度更高[29]。除了水面運動,波浪在形成時通常會帶動水下數(shù)米深區(qū)域的運動[30]。在波浪場作用下,水下裝置會產(chǎn)生脈動壓力場。目前大部分水下電磁發(fā)電機(jī)正是根據(jù)波浪導(dǎo)致水下壓力場變化這一原理進(jìn)行波浪能的收集[31-35]。

2 水下能量捕獲裝置

根據(jù)能量轉(zhuǎn)換形式的不同,水下能量捕獲裝置可以分為電磁發(fā)電機(jī)、壓電發(fā)電機(jī)和摩擦納米發(fā)電機(jī),如圖5 所示。國內(nèi)外研究團(tuán)隊針對不同條件下的海流能和波浪能,研發(fā)了基于電磁、壓電和摩擦納米發(fā)電的多種類型水下能量捕獲裝置,為水下觀測網(wǎng)絡(luò)的原位供能提供了眾多方案[36-39]。

圖5 水下能量利用方式Fig.5 Methods of underwater energy utilization

2.1 基于電磁發(fā)電機(jī)的能量捕獲裝置

2.1.1 電磁發(fā)電機(jī)基本原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)效應(yīng),運動的導(dǎo)體切割磁感線將會產(chǎn)生電流。電磁感應(yīng)效應(yīng)可描述為: 當(dāng)閉合回路中的磁通量發(fā)生變化時,閉合回路會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,從而在外電路中產(chǎn)生電流,原理公式為

式中: E 為感應(yīng)電動勢;ΔΦ 為磁通變化率;n 為線圈匝數(shù)[40]。

圖6 更直觀地展示了電磁感應(yīng)效應(yīng),即運動的導(dǎo)體切割磁感線將會產(chǎn)生電流,感應(yīng)電動勢亦可表達(dá)為

圖6 電磁發(fā)電機(jī)工作原理Fig.6 Working principle of electromagnetic generators

式中: B 為磁感應(yīng)強度;L 為切割磁感線的導(dǎo)體長度;v 為導(dǎo)體速度[40]。

作為一種傳統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換方式,電磁發(fā)電機(jī)(electromagnetic generators,EMG)因能量轉(zhuǎn)換效率高、電能輸出穩(wěn)定而被廣泛應(yīng)用于大型海洋能發(fā)電裝置[41]。然而,對于體積受限的水下觀測裝置,基于EMG 的水下能量捕獲裝置面臨巨大挑戰(zhàn)。

2.1.2 往復(fù)式電磁能量捕獲裝置

往復(fù)式電磁能量捕獲裝置通過永磁鐵的往復(fù)運動切割線圈進(jìn)行發(fā)電。為延長水下傳感器的工作時間,葡萄牙米尼奧大學(xué)Faria 等[22]研制出了一種布置于水下的小型EMG,如圖7(a) 兩線圈式電磁電機(jī)模擬圖所示。該裝置由安裝在亞克力管內(nèi)部的磁鐵以及管外部的2 組線圈組成,通過捕獲垂直于波浪傳遞方向的海水動能而輸出電能。在模擬實驗中,發(fā)電裝置在自制實驗平臺中進(jìn)行往復(fù)運動以模擬水下運動場景,頻率范圍在0.1～0.4 Hz,圖7(b) 為兩線圈式電磁電機(jī)能量輸出[22]。實驗表明,當(dāng)199～510 Ω 之間的負(fù)載電阻與發(fā)電機(jī)串聯(lián)時,電機(jī)平均功率可超過6 mW。模擬海浪頻率在0.1 Hz 時,發(fā)電機(jī)功率為1.31 mW。當(dāng)海浪頻率達(dá)到0.4 Hz 的頂峰時,該電磁電機(jī)功率可達(dá)7.73 mW,輸出能量達(dá)7.77 mJ/s,足以為數(shù)個水下小型傳感器供電。

圖7 往復(fù)式電磁能量捕獲裝置Fig.7 Reciprocating electromagnetic energy harvesting devices

與兩線圈電磁發(fā)電機(jī)類似,我國臺灣省中州科技大學(xué)Chiu 等[42]同樣以水下傳感裝置供電為目的,研發(fā)了一種收集水流動能的小型電磁發(fā)電機(jī)。該小型能量捕獲裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖7(c)所示,圖7(d)為該能量捕獲裝置的功率輸出。作用在裝置殼體上的外力使電機(jī)外殼與內(nèi)部磁鐵進(jìn)行周期性的往復(fù)運動,進(jìn)而使得線圈切割磁感線以產(chǎn)生電流。實驗結(jié)果顯示,該能量捕獲裝置最高輸出功率可達(dá)5.8 mW,電壓為1.5 V。

相比于大型電磁能量捕獲裝置,上述2 類小型能量捕獲裝置雖未能進(jìn)行商業(yè)化的應(yīng)用,但小型化、簡易化的特點以及新穎的供電方式,可為日后電磁能量捕獲裝置向著小型化發(fā)展提供一定的思路。

除了動能驅(qū)動的往復(fù)式電磁能量捕獲裝置,目前還存在一種比較成熟的壓差式波浪能發(fā)電裝置,其原理如圖7(e)所示。以典型的水下壓差式波浪能發(fā)電裝置(archimedes wave swing,AWS[31-32])為例,該裝置由圓柱形氣室和安裝在海底的固定物兩部分組成。當(dāng)波峰越過AWS 時,裝置受到的壓力增大而使得頂部下移,氣室體積減小;當(dāng)波谷位于AWS 上方時,AWS 受到的水壓降低,在氣室內(nèi)部高壓空氣的作用下,體積增大。在AWS 下方安裝有永磁發(fā)電機(jī),磁鐵隨著波峰波谷的變化而上下垂直運動,進(jìn)而切割磁感線對外發(fā)電。水下壓差式波浪能發(fā)電裝置尺寸相對較小,易于產(chǎn)生顯著的升沉運動[28]。該裝置由上至下一般分為兩部分: 用以俘獲波浪能的浮子和永磁發(fā)電機(jī)單元,如圖7(f)所示。該類型裝置通過波浪帶動浮標(biāo)升沉運動或縱蕩運動來帶動動子相對于定子作往復(fù)運動,切割磁感線以發(fā)電。浮子的主要形式有圓柱狀、球狀和橢球狀等。此外,通過直接將浮子和發(fā)電機(jī)相連的模式,可以大量減少動能傳輸中的損耗。東南大學(xué)黃磊[34]針對此類發(fā)電裝置進(jìn)行了大量研究,分析了不同水深下的波浪激振力、不同海況下浮標(biāo)的位移等水動力參數(shù)和相應(yīng)的電能輸出效率。

Carnegie 公司研制的CETO 裝置也是一種典型的水下壓差式波浪能利用設(shè)備,裝置外型如圖7(g)中的右側(cè)結(jié)構(gòu)所示[19,35]。該裝置通常位于海面以下幾米處來捕獲波浪能。通過將多個CETO進(jìn)行陣列部署以實現(xiàn)更大功率的電能輸出。此外,阿德萊德大學(xué)Sergiienko 等[19]發(fā)現(xiàn)單系泊點收集裝置可以在水下更好地捕獲來自于各自由度的縱蕩和垂蕩運動,如圖7(g)所示。但對于CETO 裝置來說,三線系泊雖在一定程度上抑制了裝置的運動能力,但據(jù)估計其發(fā)電量約為單線系泊的3 倍[19]。

因點吸收式波浪能捕獲裝置發(fā)電效率高,技術(shù)較為成熟,且部分裝置已接近商業(yè)化供電,這使得此類型波浪能捕獲裝置對水下觀測網(wǎng)絡(luò)供能的潛力極大。如圖8 所示,通過陣列化布置此類小型波浪能捕獲裝置,形成海底電站,進(jìn)而實現(xiàn)水下觀測網(wǎng)絡(luò)的供電覆蓋或許是未來解決水下觀測網(wǎng)絡(luò)供能問題的有效途徑。

圖8 陣列化點吸收式波浪能捕獲裝置Fig.8 Arrayed point wave energy harvesting devices

以點吸收式水下俘能裝置為例,位于水下的能量捕獲裝置工作時可以避免海浪的沖擊以及紫外線的影響,這意味著水下能量捕獲裝置通?？梢跃哂休^高的壽命。且將裝置布置于水下,可以減少海面以上生物的視覺沖擊,更不會占用航道,干擾船舶航行,這是水下能量捕獲裝置的優(yōu)勢。相較于文中所提到的其他電磁能量捕獲裝置,位于水下的點吸收式能量收集裝置發(fā)展最為成熟,但將點吸收式俘能裝置應(yīng)用于水下觀測網(wǎng)絡(luò)的實例卻極為稀少。這表明水下觀測網(wǎng)絡(luò)的原位供電技術(shù)仍處于起步階段,若想實現(xiàn)這一技術(shù),仍需要不斷地對現(xiàn)有的水下能量捕獲裝置進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新。

2.1.3 旋轉(zhuǎn)式電磁能量捕獲裝置

由于長度與空間的影響,直線電機(jī)在加減速時會產(chǎn)生一定的能量損耗。不同于呈單一自由度運動的往復(fù)電磁能量捕獲裝置,旋轉(zhuǎn)式電磁能量捕獲裝置可以進(jìn)行連續(xù)單向旋轉(zhuǎn),其起動轉(zhuǎn)矩相對較低,能量轉(zhuǎn)換效率較高。

旋轉(zhuǎn)式海流能捕獲裝置根據(jù)葉片的形式不同可分為垂直軸式發(fā)電機(jī)與水平軸式發(fā)電機(jī)兩大類,基本組成可分為以下4 部分。

1) 葉片: 捕獲海流動能帶動自身動作,將海流動能轉(zhuǎn)化為葉片動能。

2) 傳動機(jī)構(gòu): 將葉片傳遞而來的轉(zhuǎn)速進(jìn)行放大,以適應(yīng)葉片在水下轉(zhuǎn)速不宜過高的特點。

3) 發(fā)電機(jī)單元: 一般為電磁發(fā)電機(jī),電磁電機(jī)通過接收傳動機(jī)構(gòu)傳遞而來的動能進(jìn)行發(fā)電。

4) 密封單元: 對傳動機(jī)構(gòu)以及發(fā)電機(jī)單元進(jìn)行密封,以防止發(fā)生海水腐蝕和海洋生物堵塞等問題。

旋轉(zhuǎn)式海流能發(fā)電機(jī)的基本工作原理: 海流推動葉片旋轉(zhuǎn),以此帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子切割磁感線進(jìn)行發(fā)電。

因我國大部分海域流速較低,尤其在水下環(huán)境中,隨著水深的增加海水剖面流速下降極快,且流向較為復(fù)雜多變。這要求水下能量捕獲裝置具有低流速啟動與發(fā)電的能力[43-44]。為了實現(xiàn)水下觀測網(wǎng)絡(luò)能量就地獲取與使用,中船701 所田應(yīng)元等[43]設(shè)計了一種應(yīng)用于深海的超低速水平軸海流能發(fā)電裝置,如圖9(a)所示,其電壓輸出見圖9(b)。該發(fā)電裝置為適應(yīng)低流速海域海況,在常規(guī)發(fā)電技術(shù)的基礎(chǔ)上采用一種輔助啟動技術(shù),將傳統(tǒng)的海流能發(fā)電裝置的連續(xù)性發(fā)電模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹芷谛园l(fā)電模式,極大地降低了發(fā)電系統(tǒng)對于流速的要求。經(jīng)實驗結(jié)果顯示,在海流流速為1 m/s 時,裝置發(fā)電功率可達(dá)200 W,此功率足以為水下小型用能裝置進(jìn)行供電。此外,該發(fā)電裝置在0.1 m/s 的來流流速下即可穩(wěn)定輸出電能,其原理的正確性以及可行性已得到驗證,為今后工程樣機(jī)的研制以及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖9 低流速海流能發(fā)電裝置Fig.9 Low flow rate ocean current energy power generation device

為實現(xiàn)低流速海流能的高效發(fā)電,解決海洋觀測網(wǎng)絡(luò)用能需求,上海船舶電子研究所祁長璞等[44]設(shè)計了一臺額定流速1 m/s、額定功率達(dá)500 W的樣機(jī),如圖9(c)和(d)所示。與并入電網(wǎng)的常規(guī)海流能發(fā)電機(jī)組不同,為使海流發(fā)電機(jī)的電能輸出滿足海洋儀器的使用要求,離網(wǎng)型海流能發(fā)電機(jī)需要考慮電能供應(yīng)的穩(wěn)定性問題。為此,該裝置研發(fā)了一套能夠?qū)l(fā)電機(jī)輸出的不穩(wěn)定電能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定電能的能量管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的研發(fā)極大的提高了水下能量捕獲裝置的實用性,為今后工作于深海的海洋儀器實現(xiàn)真正的原位供電提供思路。隨后,為進(jìn)一步提升小型海流發(fā)電機(jī)對于低流速海流能的利用效率以及自身的穩(wěn)定性,西北工業(yè)大學(xué)趙天祥等[45]設(shè)計了一種用于低流速海域的小功率海流能發(fā)電系統(tǒng)。實驗中,該裝置通過調(diào)節(jié)DC-DC 電路輸出電流,用最大功率跟蹤的方法對系統(tǒng)的穩(wěn)定性與效率進(jìn)行提升。相較于效率低、對控制要求高的傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方式,該工作具有一定的參考價值。

目前,絕大部分水下觀測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點依靠裝置內(nèi)部電池或外接電池倉進(jìn)行供電[15,46],這種供電模式存在較多弊端,通常普通的電池電源對于低功耗的水下傳感器節(jié)點供能只能維持?jǐn)?shù)周[47],電源耗盡后的人工更換成本也極高。通過外加電池艙能夠有效增加水下觀測網(wǎng)絡(luò)的續(xù)航能力,但這并不是水下觀測網(wǎng)絡(luò)續(xù)航問題的完美解決方案。為了實現(xiàn)原位供電,意大利卡拉布里亞大學(xué)Cario 團(tuán)隊[47-48]設(shè)計出一種新型的水下海流能捕獲裝置,其中螺旋槳式海流電機(jī)與傳感器水下應(yīng)用圖如圖10(a)所示。同傳統(tǒng)水平軸海流渦輪發(fā)電機(jī)類似,該海流發(fā)電機(jī)通過吸收海流動能帶動自身葉片旋轉(zhuǎn),進(jìn)而將海流能轉(zhuǎn)化為電能,用于對水下傳感器節(jié)點供能。經(jīng)實驗,在海流流速為1 kn 的條件下,該能量捕獲裝置輸出功率為4 W,可以滿足大部分水下傳感器的用能需求。

此外,為增強水下潛標(biāo)和水下系泊航行器等水下觀測系統(tǒng)的能量供給,西北工業(yè)大學(xué)Ding 等[49]設(shè)計了一種安裝于水下系泊裝置用以捕獲海洋低頻動能的小型水平擺動式海流能捕獲電磁發(fā)電機(jī),如圖10(b)所示。圖10(c)為該裝置擺距角為3°時不同頻率下的功率。在該裝置的模擬實驗中,海洋動能頻率為0.2、0.25、0.3 Hz 時,最大平均功率可達(dá)0.3 W。除研究解決水下系泊平臺的能源供給問題之外,還設(shè)計了2 類直接安裝于水下小型航行器內(nèi)部的電磁能量捕獲裝置,用以對水下航行器中的傳感設(shè)施供電或增強水下航行器的續(xù)航能力[50-51],水下無人航行器模擬圖見圖10(d);電磁發(fā)電單元模擬圖見圖10(e)。兩類電磁發(fā)電裝置安裝方法與工作原理基本一致,水下航行器隨著波浪的晃動帶動內(nèi)部的電磁發(fā)電裝置動作以產(chǎn)生電流。

圖10 旋轉(zhuǎn)式電磁俘能裝置Fig.10 Rotary electromagnetic energy harvesting device

經(jīng)過測試,發(fā)電裝置在1 級海況下所輸出的功率超過150 mW,足以驅(qū)動小型傳感器[50]。在2 級海況下,小型水下航行器中的電磁發(fā)電設(shè)備功率可達(dá)0.15 W,基本能夠滿足布置于無人水下航行器中的探測設(shè)備能源需求[51],圖10(f)為其瞬時輸出功率。

2.2 基于壓電發(fā)電機(jī)的能量捕獲裝置

2.2.1 壓電發(fā)電機(jī)工作原理

通過擠壓某些電介質(zhì)材料可以使得材料上下表面帶有相反電荷,即所謂的壓電效應(yīng)。圖11 展示了壓電發(fā)電機(jī)的基本工作原理。在外力的激勵作用下,壓電材料上下表面會形成電勢差。壓電材料所產(chǎn)生的電壓可表示為[52]

圖11 壓電材料發(fā)電方式Fig.11 Principle of the power generation of piezoelectric material

式中: V 為輸出電壓;L 為塊體厚度;A 為沿力方向截面面積;F 為施加在壓電板表面的力。

因壓電材料具有功率高、結(jié)構(gòu)簡單、輸出電壓高并易于整流等優(yōu)點[53-56],以壓電效應(yīng)為原理的能量捕獲裝置已經(jīng)成為重要研究方向[57]。

2.2.2 用于水下能量收集的壓電材料

具有壓電效應(yīng)的壓電材料對于外界環(huán)境中的機(jī)械運動靈敏性極高,這使得壓電材料可以用于吸收包括海流能和波浪能在內(nèi)的機(jī)械能量,并將機(jī)械能量轉(zhuǎn)化為電能。隨著壓電材料制備技術(shù)的不斷發(fā)展,壓電材料由最早的硬質(zhì)石英材料逐漸發(fā)展為以壓電陶瓷(piezoelectric ceramic transducer,PZT)、壓電聚合物纖維和壓電聚合柔性薄膜(polyvinylidene fluoride,PVDF)為主的各類高性能硬質(zhì)或柔性材料[57]。除上述發(fā)展較為成熟的主流壓電材料外,近年來比較新穎的還有以ZnO 納米線為核心的壓電納米發(fā)電機(jī)等[58]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,壓電發(fā)電機(jī)已經(jīng)作為能量捕獲裝置應(yīng)用于各類領(lǐng)域。尤其在海洋能量利用領(lǐng)域,其捕獲能量時并不需要依靠運動部件,因此壓電發(fā)電機(jī)可以被制作得極其緊湊且可靠,小型化的能量捕獲裝置使壓電發(fā)電機(jī)在捕獲海洋細(xì)微能量并對水下小型傳感器供電方面具有極大的前景。

PZT 陶瓷與PVDF 薄膜是捕獲海洋能量最常用的2 種材料,一般情況下對于同一機(jī)械能的捕獲,相較于PVDF 柔性薄膜,PZT 陶瓷具有更高功率的輸出[59]。但由于水下環(huán)境復(fù)雜,根據(jù)“卡門渦街”效應(yīng)(如圖12 所示),由海流引起的渦流能量呈多向性與發(fā)散性,以PZT 為主的硬質(zhì)壓電材料會限制其對于渦流能的吸收[60],而具有高延展性的PVDF 薄膜相較于高剛度、低靈活性的PZT 陶瓷更適合布置于水下收集海流動能。圖13 描繪了柔性壓電材料在渦激振蕩效應(yīng)下的形變[61-62]。

圖12 “卡門渦街”效應(yīng)Fig.12 The Carmen vortex effect

圖13 柔性壓電薄膜在渦流應(yīng)力場中的形變Fig.13 Deformation of flexible piezoelectric films in vortex fields

2.2.3 柔性壓電膜結(jié)構(gòu)能量捕獲裝置

據(jù)上文所述,PVDF 壓電薄膜由于材料具有高延展性以及抗沖擊性而被廣泛應(yīng)用于海流能量的捕獲。倫敦大學(xué)Taylor 等[39]根據(jù)PVDF 薄膜設(shè)計了一種鰻魚型壓電裝置,其柔性電機(jī)及材料場景圖見圖14(a)和(b)所示,圖14(c)為電壓輸出。仿生鰻魚式壓電發(fā)電機(jī)通過布置于水下,可將海流在渦激振動效應(yīng)下產(chǎn)生的渦流能量轉(zhuǎn)化為自身電能儲存在內(nèi)部電池單元,用以對水下移動觀測裝置與傳感器供電。實驗結(jié)果表明,仿生鰻魚型能量捕獲裝置可在1 m/s 的水流下產(chǎn)生1 W 的功率。目前,該仿生鰻魚已經(jīng)完成了在實驗平臺上的數(shù)據(jù)監(jiān)測。為了實現(xiàn)在海洋環(huán)境中的能量捕獲,該裝置仍需要解決一些比較突出的難點,包括如何在河口乃至開闊的海洋區(qū)域進(jìn)行設(shè)計與布置,如何在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中實現(xiàn)穩(wěn)定工作。

雖然將該裝置應(yīng)用于海洋中進(jìn)行實際化供電仍具有一些困難,但Taylor 稱,未來會將此“鰻魚”作為小型輕量級發(fā)電裝置為分布式水下機(jī)器人或傳感器陣列的電池組與電容器供電[39]。

日本廣島大學(xué)Mutsuda 團(tuán)隊[63]近十年來致力于研究捕獲渦激振蕩的壓電能量捕獲裝置。為有效捕獲流體動能,其設(shè)計并優(yōu)化了一種柔性薄片型壓電裝置(flexible piezoelectric device,FPED),裝置結(jié)構(gòu)與原理如圖14(d)和(e)所示,電壓輸出見圖14(f)。為有效捕獲海流動能并承受由海流和波浪引起的巨大彎曲,FPED 由多層壓電材料與彈性基片相結(jié)合構(gòu)成。與上述電鰻結(jié)構(gòu)類似,Mutsuda仍采用PVDF 作為壓電材料。在模擬實驗中,由10 層薄膜組成的FPED 在振幅為8 mm 時平均功率密度可達(dá)0.7 mW/m2。作為小型能量捕獲裝置,FPED 通過收集波浪與海流能量可成功激活無線傳感器[63]。

圖14 柔性壓電裝置Fig.14 Flexible piezoelectric devices

2.2.4 彈性懸臂梁結(jié)構(gòu)能量捕獲裝置

水下系泊平臺通常使用數(shù)十米或者數(shù)百米長的系泊纜繩固定在海底。受渦激振動效應(yīng)的影響,海流流過系泊索時所產(chǎn)生的渦流動能也是客觀的。為利用這些能量,西北工業(yè)大學(xué)An 等[64]提出一種新型的渦激壓電能量捕獲裝置(vortex-induced piezoelectric energy converter,VIPEC),用以在水下環(huán)境中捕獲海洋動能。其結(jié)構(gòu)與功率密度如圖15(a)和(b)所示,圖15(b)中U 表示水流平均流速。該捕能裝置由圓柱體、轉(zhuǎn)動板與壓電片共同組成。渦激振動所引起的周期性壓力作用在旋轉(zhuǎn)板上,驅(qū)動旋轉(zhuǎn)板左右擠壓壓電片進(jìn)而將海流動能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行輸出。由于目前關(guān)于水下懸臂梁結(jié)構(gòu)能量捕獲裝置的受力分析研究較少,而懸臂梁結(jié)構(gòu)的受力情況恰恰是影響此類裝置能量輸出最重要的一環(huán)。為了有效分析VIPEC 的輸出性能,該團(tuán)隊通過進(jìn)行二維計算流體動力學(xué)仿真,研究了懸臂梁自身長度以及海流流速對裝置輸出性能的影響。經(jīng)實驗分析,該水下能量捕獲裝置最大輸出電壓為2.3 mV,最大功率密度可達(dá)0.035 μW/m3,可以有效對蓄電池以及電容器進(jìn)行充電以增強水下航行器等裝置的工作時間。

與安裝在水下系泊平臺的VIPEC 裝置應(yīng)用場景不同,針對水下能量的高效捕獲,日本學(xué)者Zurkinden[65]設(shè)計了一種固定于淺海海床的懸臂梁結(jié)構(gòu)壓電發(fā)電機(jī),如圖15(c)所示。該發(fā)電機(jī)功率輸出估計可在mW 或W 級以上。在波浪振幅為0.03 m,周期1.1 s 的仿真實驗中,該水下能量捕獲裝置輸出電壓峰值可達(dá)3.28 V。圖15(d)是在水流作用下的水草呈現(xiàn)彎曲擺動。為進(jìn)一步提高懸臂梁結(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力沖擊并提高發(fā)電效率,加拿大曼尼托巴大學(xué)Xie 等[66]研制了一種由固定在海底并向上延伸至海面的垂直懸臂梁結(jié)構(gòu)壓電能量捕獲裝置,如圖15(e)和(f)所示。從其數(shù)學(xué)模型分析,在波高2 m,波長15 m 的條件下該懸臂梁裝置功率可達(dá)55 W。

圖15 彈性懸臂梁壓電能量捕獲裝置Fig.15 Elastic cantilever piezoelectric devices

2.3 基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的能量捕獲裝置

2.3.1 摩擦納米發(fā)電機(jī)工作原理

摩擦納米發(fā)電機(jī)(triboelectric nanogenerator,TENG)的基本原理由中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士于2012 年提出[67-68],其是通過摩擦起電和靜電感應(yīng)效應(yīng)的耦合,利用介質(zhì)材料的表面電荷在周期性外力作用下產(chǎn)生交變的電場驅(qū)動外電路電子流動,從而對外輸出電能。TENG利用摩擦起電與靜電感應(yīng),可將無規(guī)則的機(jī)械能直接轉(zhuǎn)化為電能輸出,具有高電壓、低電流的輸出特性,在捕獲和轉(zhuǎn)化低頻率、低振幅的機(jī)械能方面有巨大的優(yōu)勢,尤其面對高熵的海洋藍(lán)色能源,摩擦納米發(fā)電技術(shù)展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

王中林院士團(tuán)隊推導(dǎo)出了低速運動介質(zhì)中的動生麥克斯韋方程組(Maxwell equations for mechanodriven slow-moving media)。首次在電位移矢量D中增加了Ps項,代表由于機(jī)械運動產(chǎn)生的表面電荷而引入的極化項。在麥克斯韋方程組中由原來的電磁轉(zhuǎn)換引入了代表“動生電”的物理項及其力-電-磁耦合,建立了TENG 的理論基礎(chǔ)[69-74],即

式中: D?為電位移場;ρf為自由電荷的電荷密度;B 為磁場;E 為電磁場;v 為平均速度;Jf為局部自由電流密度;Ps為極化電場。

TENG 可分為4 種基本形式[69],即垂直接觸-分離模式、水平滑動模式、單電級模式和獨立層模式,如圖16 所示。其中基于接觸分離模式以及獨立層模式的TENG 廣泛應(yīng)用于水下能量捕獲。

圖16 TENG 基本工作形式Fig.16 Basic working modes of TENG

接觸分離模式TENG 基于垂直方向上的極化效應(yīng)產(chǎn)生電流(如圖16(a)所示)。2 種具有不同電荷約束能力的介電薄膜通過不斷地接觸分離會使兩電極間產(chǎn)生電勢差。其對應(yīng)的公式為

式中: S 為接觸面積;d0為有效介電材料厚度;x(t)為2 種摩擦材料隨時間移動的距離;ε0為介電常數(shù)[75]。

獨立層模式TENG 基本原理如圖16(d)所示。2 種不同電性的材料相互接觸摩擦?xí)r會在兩材料表面形成摩擦電荷。當(dāng)一種材料移動時,由于靜電感應(yīng)效應(yīng)使得外電路形成電流。其理論公式為

具體能量捕獲裝置工作原理將在下文詳細(xì)介紹。

2.3.2 柔性接觸分離模式TENG

為高效捕獲海流能,大連海事大學(xué)徐敏義教授團(tuán)隊[76]研發(fā)出一種水下柔性旗子摩擦納米發(fā)電機(jī)(underwater flag-like triboelectric nanogenerator,UFTENG),如圖17(a)所示。UF-TENG 由導(dǎo)電油墨覆蓋的聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)、導(dǎo)電油墨覆蓋的氟化乙烯丙烯共聚物(fluorinated ethylene propylene,FEP)和2 片聚四氟乙烯膜(poly tetra fluoro ethylene,PTFE)制成,如圖17(b)所示。當(dāng)海流激勵裝置擺動時,FEP 膜將定期與PET 膜接觸分離。在與涂有油墨的PET 接觸后,FEP 膜將帶負(fù)電。根據(jù)靜電感應(yīng)的本質(zhì),當(dāng)PET 的油墨電極與FEP 薄膜充分接觸時,等量的正電荷會出現(xiàn)在PET 上的墨電極。隨著UF-TENG彎曲,電子將從連接到FEP 的電極流到連接到PET的電極(通過外部電路),因此產(chǎn)生瞬態(tài)電流。隨著FEP 和油墨電極分離,正電荷將流回上電極。根據(jù)其高楊氏模量以及良好的油墨粘附特性,選擇PET材料作為UF-TENG 的摩擦層。單個UF-TENG 裝置在流速為0.133 m/s 的低臨界速度下,輸出電壓可達(dá)12.8 V,輸出電流約為0.81 μA。在流速為0.416 m/s 時,6 個UF-TENG 單元并聯(lián)的峰值功率可達(dá)52.3 μW,其對100 μF 的電容充電100 s 后可成功為水下溫度計供電。UF-TENG 自身體型細(xì)薄、重量輕,可固定在水下設(shè)施表面對各種水下傳感器進(jìn)行供電。

圖17 水下柔性旗子與柔性海草TENGFig.17 UF-TENG and SW-TENG

此外,大連海事大學(xué)團(tuán)隊還設(shè)計了一種仿生海草型摩擦納米發(fā)電機(jī)(seaweed-like triboelectric nanogenerator,SW-TENG)[30],可用于捕獲波浪能,如圖17(d)所示。該發(fā)電機(jī)由PTFE 薄膜、PET基片、FEP 薄膜與涂敷在PET、FEP 的導(dǎo)電油墨組成,如圖17(f)所示。實驗結(jié)果表明,隨著振幅和頻率的增加,SW-TENG 的輸出性能增加,單個SW-TENG 最大電壓可達(dá)24.8 V,輸出電流最大達(dá)2.6 μA;在多組并聯(lián)的條件下最大輸出功率達(dá)79.023 μW。

該團(tuán)隊建立了柔性TENG 的動力學(xué)和發(fā)電模型,并通過實驗方法研究了其在波浪和海流作用下的運動模態(tài)和發(fā)電性能。柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)具有低成本、強適應(yīng)、高穩(wěn)定等優(yōu)勢,為實現(xiàn)水下傳感器自供能提供了新的思路。

為能夠在深水區(qū)有效承受海水高壓并進(jìn)行穩(wěn)定的電能輸出,王中林院士團(tuán)隊研發(fā)出一種對狀摩擦納米發(fā)電機(jī)(paired triboelectric nanogenerator,P-TENG)[77],其單元由數(shù)十對組件成對組成,整體類似于“蜂箱”結(jié)構(gòu),如圖18(a)所示,當(dāng)水流穿過“蜂箱”內(nèi)部空間,激勵“蜂箱”表面P-TENG 組件動作并對外輸出電流,原理如圖18(b)所示,圖18(c)展示了TENG 組件的結(jié)構(gòu)。實驗結(jié)果表明,在2.43 m/s 的水流流速下,該P-TENG 的累計電荷輸出高達(dá)1.59 μC/s,大大優(yōu)于現(xiàn)有的TENG 器件,功率與電流如圖18(d)所示。此外該P-TENG 既可以附著在各種物體表面進(jìn)行自供電傳感,又可單獨安置于水下,作為一種能量收集裝置進(jìn)行水下供電。由于此裝置體積較小,因此可以在實際應(yīng)用中大規(guī)模陣列形式部署。

圖18 P-TENG“蜂箱”結(jié)構(gòu)、工作原理及電能輸出Fig.18 The beehive structure,working principle and electric energy output of P-TENG

該P-TENG 展現(xiàn)出優(yōu)異的性能以及廣闊的應(yīng)用前景,其大范圍集成后可作為“水下電站”的一種形式為水下觀測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行供電。

2.3.3 剛性獨立層模式TENG

為了捕獲水流能量,美國麻省理工學(xué)院Ahmed[78]設(shè)計了一種獨立層模式水下摩擦納米發(fā)電裝置(underwater triboelectric nanogenerator,UTENG),如圖19(a)和(b)所示,圖19(c)為其電能輸出。該裝置由定子和轉(zhuǎn)子的交替層組成,轉(zhuǎn)子由銅材料制作。每個U-TENG 組件自上而下為丙烯酸板銅轉(zhuǎn)子、FEP 板、電極板與丙烯酸板,呈三明治結(jié)構(gòu)一層層累加4 組U-TENG 構(gòu)成一個單元。水流驅(qū)動最外層葉片帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),帶動獨立層形式摩擦納米發(fā)電機(jī)工作。實驗結(jié)果顯示,這種結(jié)構(gòu)最高可以產(chǎn)生400 V 的電壓,0.8 mA 的電流,功率可達(dá)200 mW。產(chǎn)生的電能可穩(wěn)定驅(qū)動水下pH 傳感器與濁度傳感器工作。

圖19 獨立層模式水下摩擦納米發(fā)電裝置Fig.19 Underwater triboelectric nanogenerator

此外,為捕獲淺水低流速水流動能,中科院北京納米研究所設(shè)計出獨立層模式的魚型摩擦納米發(fā)電機(jī)(fully-enclosed triboelectric nanogenerator,FE-TENG),結(jié)構(gòu)與工作原理如圖20(a)、(b)和(c)所示[79]。該裝置摩擦材料由PTFE 小球與銅電極組成。當(dāng)水流流過FE-TENG 時,PTFE 小球隨著水流沖擊在銅電極包裹的通道中移動,進(jìn)而與銅電極發(fā)生摩擦使得PTFE 表面帶負(fù)電,銅電極表面帶正電。隨著PTFE 小球的運動,銅電極表面正電荷由于靜電感應(yīng)的作用會在外電路進(jìn)行移動,進(jìn)而對外輸出電流。在水流流速為0.81 m/s 的模擬實驗中,FE-TENG 的峰值功率密度達(dá)0.36 W/m3。在實際應(yīng)用中,FE-TENG 在水中浸泡35 天后依然表現(xiàn)出良好的電輸出性能。與魚型仿生結(jié)構(gòu)類似,該納米研究所設(shè)計的另一種仿生魚尾型摩擦納米發(fā)電機(jī)(triboelectric soft fishtail,TE-SFT)對于水流能量的捕獲依然可以表現(xiàn)出良好的電能輸出,見圖20(d)。在流致振動作用下,仿生魚尾由于慣性作用將進(jìn)行往復(fù)擺動。魚尾擺動所產(chǎn)生的力將作用在內(nèi)部尼龍球,使其左右移動,進(jìn)而從低流速水流中獲得足夠的能量以帶動傳感器動作[80]。

圖20 仿生魚型TENG 與仿蝴蝶翅膀型TENGFig.20 FE-TENG and BBW-TENG

各類仿生結(jié)構(gòu)為水下能量捕獲裝置的設(shè)計提供了思路。除上述兩類仿生魚型TENG,長春工業(yè)大學(xué)Wang 等[81]設(shè)計出一款仿蝴蝶翅膀型摩擦納米發(fā)電機(jī)(bioinspired butterfly wings triboelectric nanogenerator,BBW-TENG),用于捕獲水下波浪能,圖20(f)展示了BBW-TENG 的外型,其充電能力與電能輸出見圖20(g)和(h)。該裝置可以收集來自多個自由度的波浪能,并將其轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行輸出。實驗結(jié)果表明,BBW-TENG 可以在1.25 Hz的頻率下實現(xiàn)400 V、2.9 μA 的電能輸出,且自身具有很強的水下適應(yīng)性,在水中持續(xù)工作45 天仍具有良好的輸出性能。

作為一種新型發(fā)電方式,TENG 被嘗試用于水下渦流、海流和水下波浪等各種形式的水下能量捕獲,為水下供能不斷向輕便化、分布式發(fā)展提供了一種新穎的思路。此外,摩擦納米發(fā)電通過與電磁發(fā)電機(jī)、壓電發(fā)電機(jī)等其他發(fā)電技術(shù)的結(jié)合,可以在水下能量捕獲等領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

2.4 混合型能量捕獲裝置

因電磁發(fā)電機(jī)、壓電發(fā)電機(jī)和TENG 在能量捕獲領(lǐng)域各具優(yōu)勢,近年來研究人員嘗試通過將上述3 類或2 類不同原理的能量捕獲裝置進(jìn)行結(jié)合以提高其能量捕獲效率。與依靠單一原理進(jìn)行發(fā)電的傳統(tǒng)能量捕獲裝置相比,混合型發(fā)電機(jī)可以最大程度地將環(huán)境能量收集并轉(zhuǎn)化為電能[82-84],且可以較好地彌補基于單一原理能量捕獲裝置的缺陷。

在4 種TENG 工作模式中,基于旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的獨立層模式TENG 結(jié)構(gòu)較為成熟。目前的研究成果證明該結(jié)構(gòu)可高效捕獲流體能量[78,85-88]。因旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)TENG 在捕獲環(huán)境能量時裝置自身運動狀態(tài)與旋轉(zhuǎn)式電磁發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)較為相像,這使得將二者相結(jié)合形成EMG-TENG 混合型能量捕獲裝置成為可能。

為了更好地收集復(fù)雜惡劣環(huán)境中的能量,重慶大學(xué)Guo 等[89]設(shè)計了一種可放置于水下捕獲水流能的EMG-TENG混合型能量收集裝置(water proof triboelectric electromagnetic hybrid generator,WPHG)。其外形見圖21(a),該能量捕獲裝置自上而下分為EMG 與TENG 兩部分。其中基于旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的獨立層式TENG 由銅材料充當(dāng)電極,銅電極呈徑向結(jié)構(gòu)布置于丙烯酸板之上,FEP 薄膜覆蓋在銅電極表面充當(dāng)定子,定子上方的銅材料通過旋轉(zhuǎn)使得外電路產(chǎn)生電流。具體工作原理可參考旋轉(zhuǎn)式TENG 發(fā)電原理[78,85-86],見圖21(b)。EMG 由直徑100 mm 的亞克力板制備而成。在亞克力板的外邊緣均勻嵌有6 個相同的線圈,6 塊大小相同的磁鐵安裝在亞克力板上方的丙烯酸板處。為更好地實現(xiàn)EMG 與TENG 的同步運轉(zhuǎn),該裝置于TENG上裝載相同的6 塊磁鐵,與EMG 磁鐵一一對應(yīng),2組磁鐵之間由于引力作用相互吸引。當(dāng)EMG 捕獲環(huán)境能量進(jìn)行轉(zhuǎn)動時,通過EMG 與TENG 磁鐵之間的引力作用即可帶動TENG 工作,實現(xiàn)TENG非接觸式旋轉(zhuǎn)。磁鐵之間的引力是實現(xiàn)TENG 與EMG 共同運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素。經(jīng)實驗,在1 600 r/min的轉(zhuǎn)速下,該混合能量捕獲裝置的短路電流可達(dá)2.3 mA,開路電壓達(dá)到5 V。在22 s 內(nèi),該裝置輸出的電能可將20 mF 的電容充電至1 V,見圖21(c)。當(dāng)此裝置布置于水下捕獲水流能量時,所捕獲的能量可點亮數(shù)十個LED。作為一種外接電源,該裝置的研發(fā)為驅(qū)動水下小型設(shè)備提供了新方法。

圖21 混合型能量收集裝置Fig.21 Hybrid energy harvesting devices

為更高效地對海洋觀測網(wǎng)絡(luò)供能,大連海事大學(xué)Wang 等[90]研發(fā)了一種具有高適應(yīng)性的EMGTENG 混合型能量捕獲裝置。圖21(d)為其外型與結(jié)構(gòu)組成,圖21(e)為發(fā)電原理,圖21(f)為功率輸出所示。此裝置由渦輪、軸和EMG-TENG 混合納米發(fā)電機(jī)三部分組成。渦輪捕獲海流能將動能傳遞至EMG 與TENG 處,從而帶動EMG 與TENG旋轉(zhuǎn)發(fā)電。采用垂直軸渦輪可以使該裝置更好地捕獲水下海流能量。裝置EMG 部分與傳統(tǒng)電磁發(fā)電裝置相同,能量捕獲裝置通過旋轉(zhuǎn)磁鐵切割線圈對外發(fā)電。TENG 部分轉(zhuǎn)子由PVC(polyvinyl chloride)薄片構(gòu)成,定子由尼龍材料以及銅電極組成。實驗表明,該混合動力裝置在轉(zhuǎn)速頻率為5 Hz 時的峰值功率達(dá)449 mW,可為50 mAh-3.7 V的鋰電池充電。

海流流速與裝置的電壓頻率呈線性關(guān)系。由于海流流速是海洋環(huán)境中的一個重要參數(shù),這使得該裝置除作為一種為水下觀測系統(tǒng)供電的能量捕獲裝置外,還可作為流速傳感器的一種形式來監(jiān)測海流信息。雖然該裝置目前仍停留在實驗研究階段,但其作為水下能量捕獲裝置以及水下傳感器具有極大的應(yīng)用潛力。

3 水下能量捕獲裝置對比與展望

3.1 水下能量捕獲裝置優(yōu)缺點比對

圖22 展示了上述3 類能量捕獲裝置的原理及其優(yōu)缺點。表1 中總結(jié)了上文主要發(fā)電裝置的原理以及電能輸出,圖23 描述了電磁發(fā)電機(jī)、壓電發(fā)電機(jī)、TENG 的電壓輸出、電流輸出和魯棒性等方面的特性。相較于壓電和摩擦電2 種能量捕獲裝置,基于電磁感應(yīng)原理的能量捕獲裝置最成熟。對于高頻能量的捕獲,電磁發(fā)電機(jī)可以產(chǎn)生更高的電能輸出與更為穩(wěn)定的電流,尤其在高流速海域,基于電磁發(fā)電機(jī)的水下能量捕獲裝置已經(jīng)能夠進(jìn)行商業(yè)化發(fā)電,但是其體積相比于TENG和壓電發(fā)電機(jī)較大,結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜。且目前大多數(shù)電磁能量捕獲裝置轉(zhuǎn)子材料多采用永磁體,定子以剛性材料為主[22,42,31-35,67-68]。當(dāng)裝置放置于水下時,對其防腐性能提出了更高的要求。另一方面,位于水下的電磁發(fā)電機(jī)在捕獲低頻動能時,能量捕獲效率將會減弱。

圖22 3 種水下能量捕獲裝置工作原理與優(yōu)缺點分析Fig.22 Analysis of the working principles and advantages and disadvantages of three underwater energy harvesting devices

表1 水下能量捕獲裝置參數(shù)列表Table 1 Parameter list of underwater energy harvesting devices

圖23 水下能量捕獲裝置優(yōu)缺點比對Fig.23 Comparison diagram of characteristics of underwater energy harvesting devices

不同于電磁發(fā)電機(jī),壓電發(fā)電機(jī)和TENG 具有體型小、結(jié)構(gòu)簡單、對輸入要求低以及魯棒性較高等優(yōu)勢。由于TENG 和壓電發(fā)電機(jī)發(fā)電性能與材料密切相關(guān),如廣泛應(yīng)用于壓電發(fā)電機(jī)的PVDF、PZT 材料以及用于TENG 的FEP、PTFE 材料,這些材料可以使設(shè)備有效應(yīng)對腐蝕,更容易適應(yīng)復(fù)雜的水下環(huán)境。

對于壓電發(fā)電機(jī)而言,其發(fā)展時間相較于TENG 更長,技術(shù)也更為成熟。如圖23[12]所示,壓電發(fā)電機(jī)的優(yōu)勢在于裝置自身具有較好的魯棒性。特殊的材料以及相對靈活的結(jié)構(gòu)使其即使在極端的海況下也能夠保持較穩(wěn)定的電能輸出。簡單的結(jié)構(gòu)以及對外界壓力變化的高靈敏性使得壓電發(fā)電機(jī)在自供能領(lǐng)域也有著廣闊的前景[91],但由于技術(shù)上的限制,壓電發(fā)電機(jī)并不會輸出很高的能量,較小的電流輸出使其適合為一些水下小型傳感器供電而不適宜為大功率設(shè)備供能,這是壓電發(fā)電機(jī)的主要局限。

TENG 發(fā)展歷程僅有10 年,是捕獲高熵能量的一種新方法[92]。由圖23 可知,相比于電磁發(fā)電機(jī)與壓電發(fā)電機(jī),TENG 所輸出的電壓較高,且受環(huán)境中能量頻率高低的影響較小(外界能量頻率小于5 Hz 時,TENG 的輸出性能優(yōu)于電磁發(fā)電機(jī)[93])。上述特點使得TENG 可與水下各類小型傳感裝置相匹配以進(jìn)行能量供給。尤其對于水下潛標(biāo)、傳感器這類單機(jī)低能耗裝置,通過將小型TENG 安裝至用能裝置內(nèi)部,又或?qū)ENG 與多功能傳感器結(jié)合實現(xiàn)自供電海洋傳感將會是一種具有前景的發(fā)展方向[94]。

3.2 水下能量捕獲裝置展望

相較于世界其他國家,我國海域海水流速普遍偏低[43-45]。為更有效地利用海水動能,根據(jù)不同海域的能量分布特點,應(yīng)更具針對性的部署能量捕獲裝置。表面海流流速影響著海水流動狀態(tài)。由于受黑潮的影響,我國潮流中黃海、渤海和東海潮流流速較高,能量密度較大。其中渤海與黃海的潮流以半日潮為主,平均流速在1 m/s,部分地區(qū)最高流速可達(dá)2 m/s,如圖24 所示。該部分海域適合布置以海流能發(fā)電為主的能量俘獲裝置。

圖24 我國沿海海域流速分布Fig.24 Velocity distribution of current in Chinese coastal sea

對于我國波浪能分布狀況,圖25 描繪了我國沿海海域波浪能的能流密度。由圖所示,在有效波高分布中,渤海(內(nèi)海)最低,黃海次之,波高普遍在1 m 以下。東海和南海波高最高,波浪高度在1～1.5 m 區(qū)域內(nèi),使得該部分海域可成為波浪能捕獲裝置部署的良好平臺。

圖25 我國沿海海域有效波高Fig.25 Significant height of wave in Chinese coastal sea

根據(jù)已有文獻(xiàn)可知,當(dāng)前面向水下觀測網(wǎng)絡(luò)供電的各類能量捕獲技術(shù)仍處于起步階段,面臨眾多挑戰(zhàn)。因此,對未來水下能量捕獲技術(shù)發(fā)展提出以下幾點展望。

1) 發(fā)展混合型能量捕獲裝置以提升電能輸出

上述水下能量捕獲裝置的功率輸出理論上已經(jīng)能夠滿足不少水下觀測設(shè)備的用電需求,但依然存在著較大缺點。例如: 電磁發(fā)電機(jī)捕獲低頻能量輸出效率低,TENG 與壓電發(fā)電機(jī)的電能輸出小等。水下立體觀測網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展在未來將會更加迅速。為此,提升目前水下捕能裝置的效率、開發(fā)適配水下觀測網(wǎng)絡(luò)的能源供給裝置越加重要。為改善能量捕獲裝置性能,研發(fā)混合型能量捕獲裝置是提升設(shè)備能量捕獲效率的一種可行方案。

混合式能量捕獲裝置是指將2 種或2 種以上不同發(fā)電原理的能量捕獲裝置通過一定的結(jié)構(gòu)相結(jié)合進(jìn)行發(fā)電[35]。以EMG-TENG 混合電機(jī)為例,混合之后的能量捕獲裝置可以有效彌補電磁發(fā)電機(jī)對于低頻輸入發(fā)電效率低以及TENG 輸出電流低的缺點,最大限度地提高海洋能量的轉(zhuǎn)換效率[95-96]。

研發(fā)混合型能量捕獲裝置需要考慮合適的安裝組合方式,使其盡可能發(fā)揮各類電機(jī)的優(yōu)勢。據(jù)上文所述,目前針對水下能量捕獲的混合型裝置已有部分成果,主要集中于EMG-TENG 的復(fù)合,且復(fù)合裝置以旋轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)為主[89-90],結(jié)構(gòu)較為單一。此外,除EMG-TENG 復(fù)合型裝置外,目前用以捕獲水下能量的其他復(fù)合種類發(fā)電裝置仍較少。研發(fā)不同原理發(fā)電裝置進(jìn)行組合的新結(jié)構(gòu)、盡可能地將3 類不同原理的能量捕獲裝置進(jìn)行結(jié)合,以更為高效的捕獲海洋能量,成為未來水下能量捕獲裝置發(fā)展的可行道路。

2) 陣列化水下能量捕獲裝置以形成能量捕獲網(wǎng)絡(luò)

目前已有的小型壓電、摩擦納米發(fā)電能量捕獲裝置,具有成本較低、結(jié)構(gòu)簡單、體積較小等優(yōu)勢。而對于大范圍集成化的供電系統(tǒng),單個裝置的損壞并不會影響整體的電能輸出。這一特點使得未來以TENG 和壓電發(fā)電機(jī)為核心建設(shè)集成化海底電站成為可能(如圖26 所示),并有望與水下觀測網(wǎng)絡(luò)形成良好的能量供給關(guān)系。目前已經(jīng)有部分學(xué)者提出關(guān)于TENG 網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想[97],但真正實現(xiàn)這一愿景仍存在較多障礙,未來需要不斷提高能量捕獲裝置的電能輸出效率以及耐用性等。

圖26 水下TENG 網(wǎng)絡(luò)Fig.26 The underwater TENG network

3) 研發(fā)新型材料以提高能量捕獲裝置耐久性

除對能量捕獲裝置進(jìn)行組合以提高捕能效率外,研發(fā)更為適合海洋環(huán)境的新型材料也是未來優(yōu)化水下能量捕獲裝置的有效辦法,以TENG 為例,摩擦材料的不同會嚴(yán)重影響TENG的發(fā)電性能。不同于岸上能量捕獲裝置的工作環(huán)境,遠(yuǎn)離陸地的水下能量捕獲裝置因極端的工作條件、深層海水的腐蝕、以及長時間作業(yè)需求使得其使用壽命成為研究人員重點關(guān)注的要素。

此外,還需研究生物附著對于裝置性能的影響。因過度的水下生物附著會導(dǎo)致裝置的重心以及穩(wěn)心發(fā)生改變,這會使水下捕能裝置的水動力性能發(fā)生改變。為此,為確保水下能量捕獲裝置的長期高效運行,研究新的方法對能量捕獲裝置進(jìn)行必要的保護(hù)極其重要。

4 結(jié)束語

文中梳理了水下能量捕獲技術(shù)的研究現(xiàn)狀,介紹了3 種不同原理的水下能量捕獲方式,包括電磁發(fā)電機(jī)、壓電發(fā)電機(jī)與TENG,并對上述發(fā)電機(jī)目前的典型發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。最后以實例對上述3 種發(fā)電裝置的優(yōu)缺點進(jìn)行對比分析,為水下能量捕獲技術(shù)的研究與發(fā)展提供一定的參考。

綜合來看,目前面向水下立體觀測網(wǎng)絡(luò)供電的水下微小型能量捕獲裝置已經(jīng)形成初步體系,部分水下能量捕獲裝置已能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的電能輸出,足以滿足小型傳感器裝置、小型航行器等水下觀測裝置的能量需求。但水下能量捕獲裝置的研究仍處于起步與發(fā)展階段,目前還未有對水下觀測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連續(xù)性供電的實例,大多能量捕獲裝置只能滿足于在實驗室所模擬的水下環(huán)境中進(jìn)行工作,發(fā)電量也僅可滿足水下觀測網(wǎng)絡(luò)中部分微型裝置的供能需求,且裝置存在使用壽命短、發(fā)電不穩(wěn)定等缺點。未來仍需不斷研發(fā)改進(jìn)和優(yōu)化能量捕獲技術(shù),以期實現(xiàn)真正意義上的水下原位供電。