文章简介：
21世纪是海洋的世纪，大量水下航行装置、航标灯、浮标、潜标等海洋监测设备为海洋运输、开发、管控与科学研究提供实时、准确的信息，是推进海洋强国战略及建设智慧海洋的重要基础。目前，海洋监测设备主要依靠电池供电。由于海洋环境复杂、电池容量有限，导致数量多、分布广的海洋监测设备面临巨大供电挑战。智慧海洋的建设需要更多“新时代能量”来为海洋中分布式的小型监测设备或传感装置提供电能，而研究先进的海洋能采集技术是解决监测设备持续供电问题的重要途径。这篇综述系统的介绍了目前较为先进地四种海洋动能采集装置(ocean kinetic energy harvester，OKEH)通过收集海洋中的蓝色能量为海洋传感装置提供动力，分析了目前蓝色能源采集装置地重要挑战并对未来发展进行了展望。
- 研究成果于2021年6月在Elsevier旗下期刊Nano energy（中科院1区SCI,影响因子：16.602）在线发表，题目为“Recent progress in blue energy harvesting for powering distributed sensors in ocean”。王中林院士，李舟研究员以及徐敏义教授为文章的共同通讯作者；中山大学博士生赵天聪为文章第一作者；。 该研究得到了南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）创新团队、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项基金、北京市自然科学基金和国家青年人才支持计划等支持。
图文导读:
随着对海洋的开发利用，环境污染和自然灾害逐渐增多，造成了巨大的经济损失和社会影响。目前，根据已知研究表明海洋监测设备或传感装置的远程控制是解决这些问题的最可行的方法。作为物联网（IoT）的延伸，海洋监测、观测在发展智慧海洋中发挥着越来越重要的作用，而大量的海洋分布式传感装置是构建海洋监测的基础。
图1：用于智能海洋的无人值守的海洋监测系统。
如图1所示，智慧海洋由多个海洋传感装置和无人设备组成。能量收集装置部署在浮体上或沿着电缆部署，可以将波浪、太阳能、风能、潮汐、洋流和其他可再生能源转化为稳定的电能。然而，海洋环境的复杂性和有限的电池容量导致目前严重缺乏智能便捷的海洋监测设施。
图2：目前较为先进的海洋监测设备或传感装置的能量需求。
图 2 简要说明了目前较为先进的海洋商用监测设备或传感装置的能量需求。如今的主要目标是使传感装置节点能够在海洋中长时间运行。现有的技术阻碍了海洋传感装置的大规模部署，例如有限的电池能源和海生物附着。对于需要分布式、低功耗和高稳定性的设备，能量收集可能是最有效的方法。
图3：(a) 不同波高的海浪和 (b) 不同流速的海流所对应的功率密度。
海洋不仅拥有丰富的石油和天然气等自然资源，而且还蕴藏着潜在的能源。2014 年，Tollefson 将蓝色能源定义为来自海洋的能量，并表示海洋可能是比风更温和的能量来源。蓝色能源是一种源自海洋的清洁、经济、可持续的能源。可以认为蓝色能量是从海洋中获得的能量，而从海洋中获取能量的设备称为蓝色能量采集装置。蓝色能源通常提供两种形式的动能，洋流和海浪。作为蓝色能源的代表，海洋动能(ocean kinetic energy，OKE)的特点是其可持续性和可重复性。图 3 显示了 OKE在不同波高和流速下的功率密度。波浪功率与波高的平方成正比，而海流功率与水流速度的立方成正比。因此，海洋动能是一种相对强度较大的可再生能源，有利于为分布式海洋传感装置供电。考虑到海洋传感装置的低功耗要求，预计蓝色能量采集装置将为海洋传感装置提供长期有效的电源。
图4：为分布式监测设备或传感装置供电的 OKEH。
OKEH和蓝色储能技术有望取代传统的电池和电缆。转换后的能量完全可以满足海洋传感装置等小型、低功率用电设备的需求，如图4所示，进一步为海洋监测设备实现长期稳定供电成为可能。
图5：OKE特征及资源区分布示意图。
如图5所示,OKE资源区包括海浪能量资源区、波浪-流相互作用区和海流资源区。在实际海况下，波浪、潮流、洋流、风和温度相互作用，使相关的能量转换更加混乱和不规则。基于热力学第一定律的熵概念，分布在海洋中的大量不规则能量具有很高的熵。进一步指出，由于受月球周期、风、温度、盐度和重力的影响，OKE通常是“随机的”（高熵）。考虑到波浪和海流的资源特性，OKE技术仍处于发展阶段，预计未来十年将快速增长。OKEH 在通过收集蓝色能量为海洋传感装置供电方面取得了重大进展。本篇综述全面回顾了电磁采集装置 (EMH)、电活性聚合物采集装置 (EAH)、摩擦纳米发电机 (TENG) 和混合式采集装置 (HH) 的最新进展。 由于 OKE 的“高熵”性质，传统 EMH 不适合为小型分布式监测设备供电。因此，如图6、7所示，研究人员提出了许多更小规模的基于EMH的OKE采集技术来为海洋传感装置进行供电。
图6：双腔后弯导管浮标 (BBDB)利用两导管内气压差的变化带动透平进行发电
图7：(a)-(c) 基于摆体驱动的自供电海洋浮标。(d)-(g) 一种用于传感装置浮标的襟翼式无系泊波浪能收集装置。
EAH 在利用 OKE 发电方面发挥着重要作用。按材料分类，EAH主要有3种类型；基于介电弹性体 (DE) 材料、压电（PE）材料和离子聚合物金属复合材料 (IPMC) 材料。在图8-10中，介绍了 EAH 在 OKE 收集中为分布式海洋传感装置供电的应用。
图8：（a）基于振荡水柱式的介电弹性体收集装置。(b) 基于介电弹性体的水流能发电装置。
图9：(a)-(c) 一种用于海洋能量采集的柔性压电装置。(d)-(f)基于摇摆运动的压电海浪能量收集装置设计
图10: 基于离子聚合物金属复合材料的海洋能发电装置
大型电磁发电机是目前波浪能采集的主要技术。但是EMG在不规则和低频（<5 Hz）海浪条件下的效率较低，设备制造和维护成本极高。因此，研究人员越来越倾向于开发低成本、长寿命、环保和耐腐蚀的能量采集装置。王中林院士及其研究团队提出的摩擦纳米发电机TENG，是从环境中提取低频的机械能的一种有效且廉价的方法。研究发现，TENG在频率低于5Hz的低频波的能量收集方面比EMG具有明显的优势。因此，文章提出 TENG 的建设将作为实现蓝色能量收集和海洋环境监测的有效途径。如图11-14，展示了不同形式的TENG 在 OKE 收集中为分布式海洋传感装置供电的应用。
图11：(a)-(c) 基于全封闭滚动球结构的摩擦纳米发电机用于采集低频波浪能。(d)-(f)基于海蛇结构的摩擦纳米发电机，以最小化水屏蔽效应高效地收集海浪能量。(g)-(i) 用于采集任意方向波浪能量的高功率密度塔状摩擦纳米发电机 (j)-(l) 通过软接触结构有效收集波浪能量的摩擦纳米发电机
图12：(a)-(b)基于液固界面接触带电的高性能摩擦纳米发电机网络用于收集低频蓝色能量(c)-(d) 用于大规模蓝色能量收集的摩擦纳米发电机网络的电缆。
图13: (a)-(c) 基于坚固的摆动结构式摩擦纳米发电机用于蓝色能量高效采集。(d)-(f) 用于自供电、原位和实时水质测绘的高性能摩擦纳米发电机。
图14：(a)-(c) 基于波浪能采集技术的自供电智能浮标系统，用于可持续和自主的无线传感和数据传输。(d)-(f) 集成电源管理模块的球状摩擦纳米发电机，用于收集多方向波浪能量。
另一方面，海洋技术的发展需要能量采集装置能够适应不同海况下，并且有效的采集蓝色能量。多项研究表明（图15-16），复合式能量采集技术（即混合能量采集装置，HH）似乎是一个非常有前途的解决方案。
图15：(a)-(c)用于高效采集波浪能的复合式纳米发电机。(d)-(g) 基于磁球的复合式摩擦电-电磁波浪能量收集装置。(h)-(j)基于摩擦电-电磁复合式能量采集技术的宽频响应纳米发电机。(k)-(n) 一种用于波浪能采集和自供电无线传感系统的混沌摆式摩擦电-电磁复合式纳米发电机
图16：(a)-(c)基于点吸收式的摩擦电-电磁复合波浪能采集装置。(d)-(f) 一种针对全天候物联网应用的新型复合式蓝色能量采集装置。
通过对比分析，如图17，TENG、EAH、HH 和大多数小型 EMH在流-机-电转换方面具有各自的优势。其中，TENG是收集低频、低幅度和随机方向的波能（称为高熵能）的有利方法。为了评估 OKEH 为分布式海洋传感装置供电的水平，已将五个关键特性设置为标准，包括输出电压、输出电流、功率密度、成本效益和稳健性。可以明显看出，HH结合了EMH和TENG的优点，是目前为海洋传感装置供电的理想采集装置。
图17：OKEH流-机-电转换过程及性能雷达图。
结论:
这篇综述回顾了用于为海洋传感装置供电的蓝色能量采集装置的研究进展，比较了不同类型蓝色能量采集装置的工作原理和能量输出，得出了摩擦纳米发电机有利于收集低频、低幅度和随机方向的波能，并且针对加强OKEH输出，高效的能量管理系统，集成能量收集、功率管理、能量存储以及传感装置系统、海生物附着与海水腐蚀四个方面对未来如何设计OKEH进行了分析与展望。该综述表明OKEH在海洋动能采集领域具有广阔的发展前景，TENG与HH是收集海洋中无序、高熵能量的良好选择。从这个方向看，小规模能量采集、海洋监测、海洋资源开发、自供电传感装置等领域的进步，可以进一步将海洋安全和生态资源利用提升到前所未有的水平。
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