面向海洋超低频随机波浪环境的高效能量收集基础研究

There is a wealth of wave energy resources in the global ocean. The capture, conversion and utilization of ocean wave energy and the provision of energy for marine environment observation equipment are the most direct and effective ways to enhance their long-term, large-scale and unmanned self-employment capability. In order to improve the energy conversion efficiency and increase the output power density of the micro energy harvester in the ultra-low frequency and random wave environment, this project proposes a new pendulum-based piezoelectric-electromagnetic hybrid energy harvesting method. The mechanism and nonlinear dynamics model of inertial compound pendulum motion under multi-degree-of-freedom ultra-low-frequency and random vibration excitation will be investigated. Based on the magnetic-force-induced frequency-up-conversion mechanism and the piezoelectric-electromagnetic hybrid mechanism, the energy conversion efficiency will be improved and the high power density output of the micro energy harvester will be realized from the ultra-low frequency and random wave environment. The basic research of wave energy harvesting will lay a theoretical foundation for the application of the sustainable ocean energy in marine observation equipment.

全球海洋中蕴含着极为丰富的波浪能资源。对海洋波浪能进行俘获、转换和利用，为海洋环境观测设备提供能量，可极大提高其长时间、大范围、无人职守自主工作能力。针对目前微小型能量收集装置在超低频随机波浪环境中俘能换能效率低、输出功率密度小的关键难点问题，本项目提出惯性复摆式压电-电磁复合波浪能收集的新方法，重点研究在超低频多自由度随机振动激励下惯性复摆俘能机理及其非线性动力学模型，结合对磁力升频机制转换模型和压电-电磁复合换能机制的深入研究，提高能量转换效率，实现在超低频随机海洋波浪环境中微型能量收集装置的高功率密度输出。本项目为海洋波浪能收集技术奠定科学理论基础和实验依据，对可持续海洋环境能源供电技术在海洋观测设备中的应用具有重要的科学意义。

针对可持续海洋环境能源供电技术在海洋观测设备中的应用需求，提出面向超低频复杂随机波浪能收集的新原理新方法，解决俘能效率低，能量输出密度小的关键难点问题。重点研究惯性复摆俘能机制非线性动力学模型和基于磁驱升频机制的机电振动耦合模型、系统能量转换机理与俘能换能效率优化方法。结合金属基压电厚膜微加工制备和低功耗电源管理电路设计，实现微型波浪能收集装置的系统集成。采用实验室模拟测试、水槽实验和海试验证相结合的实验方法，为波浪能收集装置的基础研究提供科学数据。.对于海洋波浪的不规则运动，由于其振动频率超低、振幅大且方向随机，传统线性/非线性谐振系统难以与随机振动频率匹配实现振幅放大响应。本课题采用主副摆组合的混沌摆式波浪能收集器设计，将惯性摆与多自由度运动载体平台集成，建立非线性动力学理论模型，揭示非线性惯性摆对超低频随机波浪能的俘获机理，分析不同波浪下激励周期、幅值和方向变化的影响规律，分析优化大振幅超低频激励下混沌摆的非线性响应特性，为提高超低频随机振动俘能效率奠定理论基础。.项目团队发现磁驱升频现象，通过低频激励磁体和发电磁体间的正交磁场作用力突变，引起发电磁体的高频旋转。该磁驱升频波浪能收集系统，可将小于1Hz的超低频波浪激励转化为50Hz以上交流电，峰值电压输出提升数十倍。同时压电厚膜换能机制采用金属基微加工工艺方法，实现压电换能机制小型化。最终实现波浪能收集装置的微小型化系统集成，实现能量密度输出最大化。.围绕海洋观测装备的自发电续航应用需求，设计了最大功率点采样跟踪电源管理电路，装备平台的电池充电效率提高70%，满足了装备平台大部分观测传感负载供电需求。结合高效电源管理电路、数据采集与铱星通讯模块，形成波浪能收集与自供能监测集成系统。将高密度小型化海洋波浪能收集装置与科考观测浮标系统进行集成搭载和海试应用测试。本项目研究将促进海洋波浪能收集技术在海洋设备环境供能领域的发展应用。