2024波浪能量采集及自供能海洋无人机电系统研究进展

波浪能量采集及自供能海洋无人机电系统研究进展目录TOC\o"1-3"\h\u31028 3268121 3303012 9104263 13286954 14海洋环境传感器、航行器/机器人等无人机电系统是人类探索与开发海洋的重要工具,在海洋监测[1]、海洋作业[2]、海洋科考[3]等方面发挥着重要作用.海洋无人机电系统一般携带电池供能,电量有限限制了无人机电系统的作业时长与范围.尽管可以布置充电基站或供电船等为无人机电系统补充电能,但是这些设备设施一方面实施难、成本高,另一方面也限制了无人机电系统的灵活性[4].长期有效供能是制约海洋无人机电系统探索深海远海的瓶颈难题.生能源之一.波浪能的能量密度高于风能和太阳能1~2个数量级,而且不受昼夜变化影响[5].将波浪能转换为电能,可以实现海洋无人机电系统的自供能传感、控制与驱动,有望破解海洋无人机电系统供能瓶颈难题此外随着化石能源面临着枯竭和严重的环境问题[6-8],开发海洋能源能够缓解能源危的研究进展,讨论目前自供能海洋无人机电系统面临的关键挑战并进行展望,为解决海洋无人机电系统长期有效供能难题提供多维度参考,推动自供能传感、控制与驱动等技术的发展与应用,助力海洋

海洋蕴涵丰富的能源,包括太阳能、风能、波浪能和潮汐能等,与太阳能和风能相比,功率密度大、可持续性高且分布广等特点[11],能为海上设备提供动力支持以及大陆电网传输电能[12].如表1所示,中国拥有300万平方千米的海域,波浪能理论储量为5.74×1011kW[13].发展波浪能技术具有广阔的应用前景和深远意义.机械能,然后通过机电转换机制转化为电能[14-15].波3个阶段,1阶段是将波浪能转换为势能2阶段是将势能转换为动能,最1中国海洋能资源储量Table1China'smarineenergyresourcesEnergy Theoreticalreserves/kWAvailablewave5.74×5.78×oceanthermal3.66×3.66×tidal1.10×2.18×oceansalinity1.14×1.14×tidalcurrent1.40×4.19×totaloceanenergy 6.11× 9.81×

转化为旋转运动.Chen等[23]开发了一种混合波−流(图2(b)),通过锥齿轮、单向轴承等组合将海面波浪和海下洋流能量同时转换为电能,实验结果表明这种混动提高了电力输出.Overtoppingtype(b)Oscillatingcolumn13

(c)Oscillatingbodytype

度大,Fig.1Threetypesofwavedriving机电转换机制在波浪能量采集中具有重要作用.本节将基于机电转换机制论述波浪能量采集方法,包括电磁波浪能量采集方法、压电波浪能量采统中的永磁体与线圈产生相对运动从而发电[17].惯量扇形质量摆集成在海洋浮标中可以有效采集低频波浪能量15.9V,0.13W[18Li等[19设计了一种全方位波浪能量采集系统通过直立式水平摆结构俘获波浪能量其输出电能波形能够反映波浪状况,可作为自供能传感器波浪激励不规则、频率低,一般需要通过机械和输出电能品质[20].Liang等[21]提出了一种具有机械运动整流功能的波浪能量采集器,通过齿条齿轮机构和单向轴承组合,将波浪激励整流为单向旋转]

结构设计对电磁波浪能量采集性能具有关键影响.一般电磁波浪能量采集系统输出功率较高,但体积较大,结构相对复杂和成本较高.换为电能,波浪直接或间接驱动压电材料变形导致电偶极矩变化产生电压[24].压电能量采集功率密度较高,尤其设计很灵活,因此,压电能量采集已经成为将机械能转换为电能的主要方式之一[25-26].压电能产生较大振幅从而输出较高功率[27-30].Chen等[31]提出了一种压电波浪能量采集器,由浮体、齿轮升(图3(a)).Viet等[32]通过弹簧质量系统将波浪运动转换为机械振动,然后通过杠杆机构放大作用于压电材料从而发电.磁力耦合也常用于驱动压电悬臂梁.Shi等[33]提出了一种多向超低频压电振动能量采集器.波浪激励球滚动,球滚动驱动环旋转,环通过磁力驱动压电悬臂梁振动发电He等[34设计了一种圆柱和锥形浮体结构的压电波浪能量采集器,浮体低频上下运动通过Du等[35]在振荡水柱式波浪能量采集器中采用(图3(b)),压电膜在脉动气压作用下变形并产生电能Chen等[36开发了一种压电波浪能量转换器,由浮体、升频机构和压(图3(c))通过柔性压电膜振动发电,压电6倍,从而可以提高waveimputwaveimputgenerationinputtranslationScrewelectromagneticwaveenergyharvesting[22]

Bevelgearmechanicalrectificationelectromagneticwaveenergyharvesting[23]

度高和成本低等优点.然而目前压电波浪能量采集器输出功率仍然较低.2Fig.2Electromagneticwaveenergy

频波浪激励转换为高频激励,匹配压电能量采集器从而提高输出功率.piezoelectriccantileverbeamsgeartraingeargearairwatercolumngearpiezoelectricgearedgear3压电波浪能量采集(a基于压电悬臂梁的波浪能量采集[31(b振荡水柱式压电波浪能量采集[35(c基于压电膜的波浪能量采集方法[36];(d)压电材料与太阳能水凝胶集成[38]Fig.3Piezoelectricwaveenergyharvesting.(a)Waveenergyharvestingbasedonpiezoelectriccantileverbeam[31];(b)Oscillatingwatercolumnpiezoelectricwaveenergyharvesting[35];(c)Waveenergyharvestingbasedonpiezoelectricdiaphragm[36];(d)Integrationofpiezoelectricmaterialsandsolarhydrogel[38]宽频波浪能量[37].此外,压电能量采集设计灵活,比(图3(d)),可以提高海水净化速度[38].压电材料将波浪能转化为电能重新激活水凝胶中的水与非压电水凝胶海水净化器相比,23%以上.摩擦纳米发电机(triboelectricnanogenerator,能[39-41].摩擦纳米发电机在低频工况下表现出更高的能量转化效率,具有高功率密度、高效率、低重量和低制造成本的优点[42-43].摩擦纳米发电机具有4种频激励但是面对极低频率波浪激励工况仍然需要升频提高机电转换效率Jung等[45设计了一种倍频0.33Hz波浪频率下6.67W/m3,并验证了具备为海洋观测系统供电的能力.Zhang等[46]

型波浪能量采集器,可以有效俘获低频波浪能量.Gao等[47]设计了一种陀螺结构的摩擦纳米发电机,用于采集低频波浪能量.内部和外部发电单元可以在不同方向上独立运动互不干扰发电.6m/s2的加速度激励下,内部和外部发电单元的开路电压分730V160V.波浪激励随机不规则,很多学者提出了多方向波浪能量采集设计.Wang等[48]提出了一种仿生蝴(图4(b)),仿生叶片具有阻的频率下,400V2.9μA的电学响应.Qu等[49设计了一种球形偏心结构摩擦纳米发电机,球壳内设置了十二面体结构,用于全向波浪能量采集,有效地将不同方向波浪能量转换为电能,并设计了能量管理电路处理和存储产生的电能.Wen等[50]瓣摩擦纳米发电机和2个花蕊摩擦纳米发电机组成6个自由度的动能.Liu等[51提出一种(图4(d)),由一个内球和一个环面壳组成,spingsteel 4基于摩擦纳米发电机的波浪能量采集(a)滚筒式摩擦纳米发电机波浪能量采集[45(b)仿生蝴蝶式摩擦纳米发电机波浪能量采集仿生莲花式摩擦纳米发电机波浪能量采集[50];(d)环面球摩擦纳米发电机波浪能量采集Fig.4WaveenergyharvestingbasedonTENG.(a)WaveenergyharvestingbasedoncylindricalTENG[45];(b)WaveenergyharvestingbasedonbionicbutterflyTENG[48];(c)WaveenergyharvestingbasedonbioniclotusTENG[50];(d)Waveenergyharvestingbasedontoroidalsphere[51]出电压及丰富的材料来源等优点,且由于摩擦纳米发电机主要由高分子材料制成,具备优良的抗腐蚀能力,可以在更小的空间和更简单的结构中将各种波浪能转换为电能.高分子材料作为摩擦纳米发电机的组成部分可能会对海洋环境造成污染,采用绿色环保可降解的摩擦纳米发电机材料,在设计波浪换机制的特性,增加输出电能使用灵活性和输出功率[52-54摩擦纳米发电机内阻高输出电压高、电流小;电磁发电机内阻低,输出电压低、电流大.摩擦纳米发电机和电磁发电机复合常用于波浪能量采集[55].Ouyang等[56]

运动通过电磁感应发电,并通过磁力耦合作用激励摩擦纳米发电机接触和分离发电.Sun等[57]提出了一种摆动平移复合发电机采集海岸线上的波浪能(图5(b))波浪激励驱动滑轨中的永磁体滑动电磁感应发电,同时驱动多层摩擦纳米发电机接触和分离发电.Wang等[58]提出一种拓扑结构的电磁与摩擦纳米发电机波浪能量采集器,摩擦纳米发电机4个腔室通过独立层模式发电.电磁发电机的永磁体嵌入靠近腔壁的折纸上,而线圈设置在腔壁上能够在宽频波浪激励下有效工作Han等[59]提出一种双面绒和海尔贝克结构的复合发电机,利用绒毛增强摩擦纳米发电机的性能,海尔贝克增强量采集器复合使用可以提高空间利用率[60].一种基于双摆结构的复合波浪能量采集器被提出,acrylicsphericalacrylicsphericalCuslideside(a)Hybridwaveenergyharvestingbasedonpermanentmagnetsphere[56]

(b)基于摆动弹簧的复合波浪能量采集(b)Hybridwaveenergyharvestingbasedonoscillatingspring[57]5Fig.5Waveenergyharvestingbasedonhybridelectromechanicalconversion个电磁发电机、两个压电发电机和两个折纸结构摩擦纳米发电机,3类机电转换机制合理布置提高了空间利用率[61].压电能量采集器、摩擦电纳米

大应变、最大接触面积和最大位移的地方,可以充分利用它们在结构空间中的特性[62].几类波浪能力采集器在相应激励下的输出功率或功率密度列与2.2Table2ComparisonofwaveenergyharvestingElectromechanicalconversionPowerLiet1Hz,2005200.66Panet1.5Hz,5064.40.3Liet400~8000.130.21Shiet0.9Hz,706.32Heet141.5Junget0.331170.69Quet2Hz,900.22OuyangetTENG&1Hz,1200.76mW79HanetTENG&1.45.2mW,43.62.02W/m3,16.96注*Note:*meansaveragepoweroraveragepower海域辽阔,长期有效供能是制约海洋无人机电系统探索深海远海的瓶颈难题.海洋充电基站或供电船等为无人机电系统补充电能,但是这些设备设施一方面实施难、成本高,另一方面也限制了无人机电系统的灵活性海洋蕴涵丰富的能源包括太阳能、风能、波浪能和潮汐能等.太阳能发电技术虽然已经商业化发展较为成熟但太阳能发电技术受地区、昼夜影响较大,同时,

较大的安装面积,这将在一定程度上增加海洋无人机电系统的体积,不利于小型化.与太阳能和风能等相比,波浪能具有功率密度大、可持续性高和分布广等特点.将波浪能转换为电能,可以实现海洋无人机电系统的自供能传感、控制与驱动,有望破解海洋无人机电系统供能瓶颈难题.为海洋无人机电系降低对海洋无人机电系统工作的影响,需要兼顾构浮标所处的海洋环境具有风能、太阳能和波浪能等.波浪能量高度集中在海面以及接近海面的水层,而海洋浮标分布的位置正好位于此范围内,波浪能更自然地进入海洋浮标.海洋浮标可以高效地采集Wang等[66提出了一种可集成于浮标内部的可堆叠摩擦纳米发电机,波浪激励浮标在水平面上摆动从而推动PTFE小球滚动发电,能为温度传感器、PH传感器、盐度传感器等海洋环境监测传感器供电.Wang等[67]还提出一种内置于海洋浮标的波浪能量采集器实验数据表明波浪能量采集器能1.4W的平均功率,为大多数小功耗传感器供能.Liang等[68]设计了基于摩擦纳米发电机用于水位报警的自供能浮标.摩擦纳米发电机发电单元使用电荷激发模块,从而大大增强了球形摩擦纳米发电机的输出性能,输出电流和输出功率可达到15.09mA24.48mW成功实现了自供能水位报警Xie等[69]设计了一种振荡浮标波浪能量采集器圆柱形浮标倒立安装俘获波浪能浮标上下运动驱动电磁发电机单向旋转发电,产生的电能存储在超级电容中,为跨海大桥健康状态监测传感器供电.Zhao等[53提出一种机械智能电磁−摩擦复合波浪能量采集器,如图6所示,实验结果表明,该能量采集器能够在超低频下有效工作,6min内将0.47F5V,PH值、6自供能海洋环境传感器Fig.6Selfpoweredmarineenvironmental

组成.水面浮子在波浪激励下通过系绳拉扯水下滑翔机,同时水下滑翔机上可翻转机翼发生翻转,产生一直向前的驱动力.Tian等[70]提出了一种混合滑翔机,混合滑翔机由波浪能和太阳能供能,可根据不同波浪能量采集器可以安装在水下航行器/机器人的内部或者外部.安装在外部的波浪能量采集器能获得较大波浪激励,但波浪冲击较大以及导致外部阻力增加.安装在内部的波浪能量采集器具有更高的可靠性和稳定性Townsend等[71提出了一种用于水下机器人的波浪能量采集系统,波浪激励框架飞轮陀螺响应实现从波浪能到电能的转换.水下测试表明0.1m的情况下,该系统的最3.58W.换,浮子通过缆绳与自主水下机器人主体相连接,当波浪激励浮子上下运动时,浮子带动缆绳驱动自主水下机器人内置的发电机发电.实验表明,水下航行20kmChen等[73]设计了一种装备在可在俘能模式与机器人模式之间切换,可折叠翼波thewave-poweredunmannedvehiclegeneratorthecable-pulley(a)集成波浪能量采集系统的水下航行器(a)Underwatervehicleintegratedwithwaveenergyharvestingsystem[72]7自供能航行器/Fig.7Self-poweredPTOrectifierstepperPTOrectifiersteppermotorballconnectingguidethree-layer(b)可折叠翼波浪能量采集系统(b)Waveenergyharvestingsystemwithfolding7自供能航行器/(续)Fig7Self-poweredvehicles(continued)

海洋环境传感器、航行器/机器人等无人机电态探测和监测、海洋作业设备设施状态监测等,有益于海洋生态保护、海洋经济发展和海洋权益维护[74-75].如图8所示,海洋环境机电系统根据能否自,surfacesurfacevehicleoceansignalunderwaterunderwatervehiclebionicunderwaterdeep-seasoftremotelyoperated8Fig.8Unmannedelectromechanicalsystemsinmarine海洋是地球气候调节、碳循环不可或缺的部分,海洋监测对预测大气变化、可持续利用海洋资源具有重要作用[77].海洋传感器可以与船舶、浮标、水下设备和海上平台集成,收集信息以服务防灾[78]、海洋科考[79]、船舶设计及导航[80]、海洋监测]等.浮标是指浮在海面上的标志物,传统上用于警示危险、指引航道.现代浮标与雷达、船舶、卫星

一个全球多学科海洋观测网络,Argo浮标组成配备了广泛的生物地球化学传感器将提光纤传感器具有抗电磁干扰、耐极端温度和压力、重量轻、传输速率高、体积小和灵活等优点,在海洋环境和海洋结构健康监测领域受到广泛关注.Shen等[84]研制一种船载光子计数激光雷达,利用光子计数技术实现了高精度后向散射信号测量,具有观测深层海水光学特性的潜力.Wang等[85]度和深度剖面.通过对光纤光栅传感器封装结构的研究,解决了传统光纤光栅传感器在测量海水温度务的理想选择与刚性传感器相比它具备更高的灵活性和可靠性,并能自主完成自组装和自驱动的功能由于其低能耗的特性软传感器在水下环境中表现出了更为出色的性能,具有广阔的应用前景[86].署.随着微/小型电子产品能耗降低,使得海洋能量需求,摆脱电池电量和线缆的限制.无人水面航行器(unmannedsurfacevehicle,USV)是无需或者少量人力干预的水面航行器能灵活布置在海洋不同区域,具有可靠、快速和机动性强的特点,可以执行监测海洋参数、排查鱼雷和海岸巡逻等各种任务[87-88],极大地降低了人类风险并

和海流.Wang等[90]设计了一支自主无人水面航行(图9(b)),每一个无人水面航行器具有规则形状利于相互连接,并设计一种十字型推进器进行推进,此设计可构成海洋表面移动平台.近年来,随着应用环境愈加复杂,人工智能、大数据技术的迅比如,Wang等[93]提出了统一框架有机结合了路径规划和导航系统,可以实现无人水面航行器在受限探讨了近端策略优化的潜力,使无人水面航行器能通过振动驱动的运动机制实现两栖运动,避免了传统两栖机器人结构复杂问题.Li等[96设计了一种跨越空中水下的仿生䲟(图9(d)).仿生䲟鱼机器人具有被动变形的螺旋桨,0.35s eccentricupflexibleartificialhydraulicrigidsoft9无人水面航行器(a小型自主水面航行器[89(b自主水面航行器舰队单元[90(c振动驱动两栖机器人[95(d仿䲟鱼两栖机器人[96]Fig9Unmannedsurfacevehicles(aSmallautonomoussurfacevehicle[89(bFleetunitofautonomoussurfacevehicle[90(cVibrationdrivenamphibiousrobot[95];(d)Aremora-likeamphibiousrobot[96]有缆水下机器人,也可称之为遥控水下机器人(remotelyoperatedvehicle,ROV)是通过缆线与海上操作平台连接的水下机器人.有缆连接使得水下机器人获得源源不断的能源,使其能装备较大的、需要较高功率的操作设备从而功能更强大比如采集生物样本、开采海底矿产和绘制海底三维模型等[97].但海上操作平台也面临能源补给困难、供能不足的问题,

供能提高其续航能力减少维护成本Chaloux等[98](图10(a))通过推进器的强大吸力捕获鱼类.切割有缆水下机器人被研制用于开采位于海底火山附近的块状硫化物(图10(b)),切割有缆水下机器人由位于船舶上的作4m宽刀片切割目标物[99].有缆水下或石油管道(图10(c))并追踪石油矿场的石油泄漏、海底天然气管道的气体泄漏,保护水下生态系10有缆水下机器人(a用于鱼样采集有缆水下机器人[98(b切割型有缆水下机器人[99(c探测有缆水下机器人[100(d具有光学定位系Fig.10Remotelyoperatedvehicles.(a)Remotelyoperatedvehicleforfishsampling[98];(b)Cut-outremotelyoperatedvehicle[99];(c)Remotelyoperatedvehiclefordetection[100];(d)Remotelyoperatedvehiclewithopticalpositioningsystem[104]下机器人的可操作性[101].保持线缆拉力使之保持直线状态可以避免缠绕[102].Rahimuddin等[103]在有缆水下机器人顶部设置浮力结构在底部加重浮心在机器人良好的稳定性.Lund-Hansen等[104]设计了具用于测量和采样.Xu等[105]提出了用于有缆水下机器人的定点吸附器,提高了有缆水下机器人操作效率.Gladkova等[106]使用里程计平均数据推算路径自主水下机器人(autonomousunderwatervehicle,AUV)是集先进制造技术、智能材料、水下

导航和决策的水下机器人[107-108自主水下机器人摆脱了线缆限制能探索更深更远但需要自带能源装备或者增加自供能设备来支撑其航行.自主决策的功能使水下自主机器人能适应复杂的水下环境,提Fernandez等[110]设计了一种自主水下机器人(图11(a)),可以检查和探测淹没的矿井隧道网络德国智能人工智能中心[111研制了名为“DAGON”的自5个推进器,主要用于创建视觉地图和即时定位.Iscar等[112]开发了开源、低成本自主水下机器人的推进器方面进展迅速,具有更强的推进力、机动性以及狭小空间作业能力.conceptofMAG-presurecaudalendMCM-Doppler acrylicshullbattery acrylicsdomemetallicbraceMCM-11自主水下机器人.(a)矿井隧道探测自主水下机器人[110(b)DAGON[111(c)DaryaBird[115(d)基于线性肌肉调节的自主水下机器人Fig.11Autonomousunderwatervehicles.(a)Autonomousunderwatervehicleforminetunneldetection[110];(b)DAGON[111];(c)(d)AutonomousunderwatervehiclebasedonlinearmuscleGu等[113]提出了一种球形自主水下机器人,其具有矢量水射流和螺旋桨推进器的混合推进装置,混合推力器的最大推力比单推进器增加了2.27倍.Wang等[114]提出了一种盘状自主水下机器人,其由4个螺旋桨和浮力调节系统组成的推进系统能实现高工作效率和增强续航能力.Hidaka等[115]设计了一款名为“DaryaBird”(图11(c))实现了模块化易于实现多种探测功能,且能在线缆连接的情况下工作.中国科学院沈阳自动化研究所开发了一类远程自主水下机器人“Explorer1000AUV”,其有两个高精度可变浮力系统,因此它可以执行两种工作模式:自主水下机器人在一定固定位置进行往复剖面观测的定点观测模式,以及自主水下机器航观测模式[116Wang等[117提出一种用于自主水下(图11(d))其可驱动浮力调节机构和尾部的转向机构,降低结构的复杂性,增大内部可利用空间.

自主水下机器人主要用来执行探测任务,传感器以及探测技术显得尤为重要.为了节省设计中的优化时间,从生物中获取灵感来解决工程问题是较交互性和低成本优势,在海洋环境具有广泛的应用仿生机器鱼可以通过身体和尾鳍实现游动(图12(a))[120-121].Zhang等[122]提出两段尾鳍推进方法,与现有单一尾鳍设计相比,两段尾鳍推进在稳定性和可控范围方面具有优异性能.Li等[123]提出了一种多尾全方位水下机器人结合了鱼类、青蛙、章鱼、鱼群等不同运动模式.Christianson等[124]提出了一种鳍状介质弹性体致动器的设计,具有驱动应变大、响应速度快、噪音低和效率高等特点.Shintake等[125]设计了一种基于介电弹性体驱动器的仿生软体机器鱼,通过身体和尾鳍推进游动.Li等[126]受深海狮子鱼启发,开发了一种深海软体机器neckdorsalDEmuscleatjointelectronicinmatrixsiliconefilmflappingcanistersforpowerandelectronicssubsystemsSILsamplingsensorized12仿生软体机器人.(a)仿生机器鱼[121];(b)深海软体机器人[126];(c)仿生水下多足机器人[130];(d)软体机械手Fig.12Biomimeticsoftrobot.(a)Bionicroboticfish[121];(b)Deepseasoftrobot[126];(c)Bionicunderwatermulti-legged(d)Soft(图12(b)),将电子设备封装在硅胶基质中,减小深海高压的影响,使用重量轻的介电弹性体作为致动器,证明了软材料在极致压力下正常工作的巨大此外,也有一些其他方式被用于软体机器人驱动Armanini等[127受鞭毛生物启发设计了水下推进器,通过简单旋转驱动产生推进力.Zhang等[128]采用柔性磁性复合材料制作驱动器通过磁场