創(chuàng)新零碳能源轉化 助力雙碳目標實現(xiàn)
——記石河子大學機械電氣工程學院教授龔立嬌

李 雙

2020年9月22日，國家主席習近平在第七十五屆聯(lián)合國大會上宣布：“中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。”屆時，我國一次能源的主要來源，將從目前以化石能源為基礎的碳基能源轉變成“零碳能源”，包括核電、風電、光電、水電、生物質(zhì)能等，進而能源的產(chǎn)生、傳播、轉換、應用鏈條也將出現(xiàn)根本性變化。在這一背景下，我國實現(xiàn)能源結構調(diào)整，助力“零碳能源”的相關研究正在如火如荼地展開。

在石河子大學機械電氣工程學院教授龔立嬌看來，“雙碳”目標是一個系統(tǒng)工程，也是一個全局工程，是環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的必然要求。而她目前和研究團隊所致力的新型環(huán)境能量采集技術、無接觸電能傳輸技術、新型/無線傳感器及儀器技術、可再生能源發(fā)電系統(tǒng)等研究方向就與“零碳能源”“零碳電力技術”息息相關。在科技發(fā)展的大背景下，任何相關領域的進步都會成為推動時代車輪滾滾向前不可或缺的力量。“雖然我們現(xiàn)在所做的研究不是主流的，只是大的領域方向的一部分，但是我們一直在通過自己的研究，為我國的‘雙碳’目標達成貢獻價值。”龔立嬌說。扎根西部邊陲，她還在用行動踐行著自己的科研理想。

逐夢——積跬步而至千里

團隊合影（前排左四為龔立嬌）

2003年10月15日，中國自行研制的“神舟五號”載人飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。當時，還在石河子大學機械電氣工程學院擔任助教的龔立嬌看到這則新聞十分振奮。21世紀初期，我國航空航天事業(yè)逐漸在世界占有一席之地。在她的心中，航空航天在一定程度上代表了我國的科技水平，因此她愈發(fā)想深入這一領域一探究竟。功夫不負有心人，2005年9月龔立嬌順利被南京航空航天大學錄取，到智能材料與結構航空科技重點實驗室這一國內(nèi)目前唯一專門從事智能材料與結構研究的部級重點實驗室開展研究工作。正是在這一階段，她接觸到了壓電材料。

壓電材料是指材料在外力作用下產(chǎn)生電荷，或反過來在變化電場作用下發(fā)生形變的一種彈性功能材料。一般來說，飛機的蒙皮材料就包含很多壓電材料，它既可以做傳感器測量飛機型號，也可以做驅動器去減振抑振。而飛行器的智能結構則要求相關材料具備自診斷、自適應、自修復等功能，在這一背景下，龔立嬌的導師便提出了能否利用壓電材料進行能量采集，這就相當于傳感器本身不需要額外接電，自己采集工作環(huán)境中的能量，再應用于自身信號的傳輸與量測，以形成自供電、自傳感。而基于壓電材料進行能量采集便是龔立嬌研究生期間的主攻方向，她在這一領域積累了豐富的經(jīng)驗。回到石河子大學之后，她并沒有停止在這一領域的探索。在時任石河子大學機械電氣工程學院院長曹衛(wèi)彬的鼓勵下，她開始嘗試申請關于這一領域的國家自然科學基金項目。令她驚喜的是，自己首次申請的研究項目“懸臂壓電發(fā)電機及其功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)協(xié)同設計”成功獲批了國家自然科學基金青年項目。

憑借相關項目支持，龔立嬌開始了長達3年的科學研究歷程。但當時只是講師的她并沒有自己的科研團隊，很多工作只能靠自己獨立完成，因此項目完成過程異常艱難，成果也未曾達到她自己的預期。在此之后，龔立嬌得到了前往中國科學技術大學工程科學學院儀器科學與技術專業(yè)攻讀博士研究生的機會，這支科研團隊在壓電的智能能量采集中有豐富的科研經(jīng)驗。在團隊成員的協(xié)同攻關下，她對之前的自然科學基金項目進行了后續(xù)的完善，相關成果大大超過了自己的預期。在這一項目的基礎上，龔立嬌之后的科研工作開展也愈加順利。

扎根——助力祖國能源事業(yè)

征途漫漫，唯有奮斗。從單槍匹馬開展科研工作，到2017年左右龔立嬌的科研團隊終于初具雛形，她的科研之路也逐漸步入正軌。基于博士階段的研究，她馬不停蹄開展后續(xù)的開拓性科研探索，并成功申請了國家自然科學基金地區(qū)科學基金項目“基于壓電結構多模態(tài)振動特性的寬頻帶振動能量高效收集系統(tǒng)理論與關鍵技術研究”。十年磨一劍，礪得梅花香。從2009年到2019年，龔立嬌的科研項目經(jīng)歷了10年的研究跨度。在之前研究成果的基礎上，她開始了全新的科研奮斗征程。

近些年來，利用壓電材料的壓電效應，將環(huán)境中的振動、噪聲、波浪等機械能轉化為電能，成為能量領域的研究熱點之一。而壓電俘能器以其微型、環(huán)保、自供能的特點在微電子設備應用領域得到廣泛關注。但是在能量采集過程中，一個壓電俘能器只能對單一頻率的振動能進行采集，而這一限制，極大影響了其后續(xù)的應用前景。在這一背景下，龔立嬌一直在嘗試拓寬壓電俘能器的能量采集范圍。博士期間，她就曾通過對振子的設計，實現(xiàn)了頻帶寬度從二三十赫茲到50赫茲及以上更寬闊范圍內(nèi)的振動頻帶響應，再將振動能轉化為電能并加以收集，以此克服了壓電俘能器實用化的痛點問題。在此基礎上，她和研究團隊又在國家自然科學基金的支撐下，開始針對能量采集電路進行后續(xù)的設計，為今后更好地科研應用奠定了堅實的基礎。

學無止境，勤則可達。在多年的科研征程中，龔立嬌從未囿于過往的研究方向，而是在教學相長中不斷擴寬自己的科研之路。

新疆是能源大區(qū)，擁有豐富的新疆風能資源，其風能總儲量達89億千瓦，約占全國的20.4%。作為一名土生土長的新疆人，龔立嬌一直心系祖國的能源事業(yè)。在國家對西部高校所設立的對口支援政策的支持下，他們聯(lián)合重慶大學可再生能源發(fā)電利用的相關團隊，共同申報了國家自然科學基金面上項目“電網(wǎng)擾動下雙饋風電機組傳動鏈扭振疲勞壽命損耗研究”，開始在這一項目的基礎上，拓寬風力發(fā)電電源側研究方向，服務于祖國的能源事業(yè)。

源網(wǎng)荷儲是新型電力系統(tǒng)的主要組成部分，它所包含的“電源、電網(wǎng)、負荷、儲能”整體解決方案的運營模式，可精準控制社會可中斷的用電負荷和可調(diào)度的儲能資源，提高電網(wǎng)安全運行水平。針對電源這一研究方向，龔立嬌和研究團隊成員共同開展了體系建模以及電網(wǎng)擾動或電網(wǎng)側短路對風電機組的影響研究，以保證風力發(fā)電的安全運行，為祖國的能源發(fā)展貢獻自己的一份力。

奉獻——培育留疆科研人才

育桃李，播書香，悠悠歲月散發(fā)芬芳……龔立嬌出生在新疆省昌吉市，青年時分別在沈陽、南京、合肥求學深造，此后回疆開展教學科研工作，在這里度過了自己人生中的重要歲月。對于她來說，新疆是自己熱愛的家鄉(xiāng)，更是自己科研夢想生根的地方。多年來她見證了石河子大學電氣工程本科專業(yè)肇基到成為一流專業(yè)的奮進之路，并由衷地希望能有更多的人才扎根在這片熱土之上，施展自己的理想與抱負。“新疆作為國內(nèi)的能源基地，承擔著西電東送的重任，不管是新疆電網(wǎng)的電力建設還是推動整個電力行業(yè)發(fā)展，都需要更多的大學生人才，而我們電氣專業(yè)的設置初衷，也是為了服務地方經(jīng)濟，為新疆留住人才。”她說。

初心如磐，砥行致遠。多年來，龔立嬌傾心在教育事業(yè)中，從2013年到現(xiàn)在已經(jīng)成功培養(yǎng)了13名碩士研究生。為了能夠在研究生培養(yǎng)中，打通學生就業(yè)的最后一公里，作為石河子大學與新疆天富能源股份有限公司聯(lián)合培養(yǎng)研究生示范基地（自治區(qū)級）的負責人，她創(chuàng)新與企業(yè)導師的聯(lián)合培養(yǎng)制度，已有46名研究生在企業(yè)從事與能源電氣類有關實踐項目的研究，有利地促進了研究生的實踐應用能力的培養(yǎng)和提升。現(xiàn)如今她還擔任著17位碩士生、2位博士生的科研指導工作，并積極與企業(yè)開展技術合作。在這一培養(yǎng)方式下，學生們有了前往國內(nèi)各大能源公司實習鍛煉的機會，在實踐中增強了他們將科學研究學以致用的能力。

能源事業(yè)，大有可為。其功在當代，利在千秋。在龔立嬌看來，隨著科學研究的不斷深入，可再生能源未來將會持續(xù)朝著實用化方式推進。今后，她還將和團隊立足于生態(tài)目標，在可再生能源發(fā)電及其利用等方面，開展一系列工作。“隨著整個環(huán)境產(chǎn)業(yè)鏈技術的持續(xù)進步，我們還將研發(fā)出更加實用化的系統(tǒng)技術，以達到學以致用、學有所用的目標。”她堅定地說。