中国交通报 2024年05月17日 第8217期 第3版
发展绿色低碳交通是交通运输行业加强生态文明建设、服务国家碳达峰碳中和目标，深入打好污染防治攻坚战的重要举措。
“十四五”以来，交通运输行业积极推进绿色低碳转型，坚持科技创新，加快节能环保关键技术推广应用，节能新技术、新工艺和新装备不断涌现，取得了积极成效。本报今日集中展示新型波浪能自供电浮标、基于多要素分析的港口能源与碳综合管控技术、隧道“与车随行”照明智能控制技术、城市轨道交通列车节能运行一体化方法及关键技术、隧道自然风节能设计技术五项技术及装备，敬请关注。
新型波浪能自供电浮标
有效响应 持续运行
王昊 文/图
自供电浮标装置的水池测试。
我国是海洋大国，拥有发展海洋经济的巨大潜力，同时面临维护海上安全的复杂形势。党的二十大明确提出“发展海洋经济，保护海洋生态环境，加快建设海洋强国”。浮标等各类分布式海洋监测节点能够实现实时的、持续的在位监测及数据获取，为维护海洋权益、发展海洋经济、保障海洋安全提供有力支撑。
包括浮标在内的分布式海洋装备，当前主要依靠电池、油料、线缆供能，成为制约其长时间自持的主要瓶颈。有效利用广泛分布的海洋可再生能源，能够从根本上提升浮标的续航能力、扩大其适用范围、降低运维成本。波浪能是一种海洋原生动能，相较于海上光伏和风能，具有较高的能流密度、较好的时空连续性，适合作为浮标等分布式节点持续、不依赖补给的电力来源。
海洋中的波浪能主要体现为随机波的形式，使海洋结构物产生较复杂的多自由度运动。针对海洋原生动能无序度高的难题，大连海事大学轮机工程学院教授、大连市海洋自驱动系统重点实验室徐敏义团队研制了一种高适应性波浪能摩擦纳米发电浮标，以摩擦纳米材料制成球性动子，利用动子在表面敷设电极的水平轨道上往复滚转，以静电感应驱动电极上的自由电子通过外电路产生交变电流。其内置滚转惯性球在小扰动下即可产生较大相对运动，能够同时捕获平动和摇摆等多个自由度上的能量，且采用易于并联的多层堆叠构型来提升获能密度。
研究团队将三个内置单元交错导向布置在浮标内部，并集成水质传感器和无线数据发射模块，从而构建一个完整的自供能海洋水质监测系统。得益于设计创新和工艺改进，研究团队在大连近海进行了一系列海试。摩擦纳米发电单元与电源管理模块协同工作，可同时支持水质数据采集和无线通信等任务，使得浮标能够在大约800米的距离上持续传送测得的水质数据。这是实际海洋环境下波浪能摩擦电纳米发电技术的应用样例，也为海洋物联网的构建提供了一种新型技术路径。
测试中发现，这种新型波浪能自供电浮标利用较小的波浪即可产生较大的有效响应，在低输入条件下具有出色的启动性能。实际上，相比于欧美国家所在的北大西洋等海区，我国总体上处于波幅较低的海区，该浮标能够更好地适应我国常见的实际海况。目前研究团队还在持续测试和改善该技术的海洋环境适应性，确保其能承受海洋动力环境导致的结构应力和疲劳。我们有理由相信，未来这类波浪能自供电装置有望实现长期且稳定的海上电力补充，使包括海洋监测浮标在内的大量分布式海洋装备不依赖外部电力供应持续运行。
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