龚立娇 石河子大学机械电气工程学院教授

创新零碳能源转化 助力双碳目标实现

——记石河子大学机械电气工程学院教授龚立娇

2023-07-18

2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会上宣布：“中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”届时，我国一次能源的主要来源，将从目前以化石能源为基础的碳基能源转变成“零碳能源”，包括核电、风电、光电、水电、生物质能等，进而能源的产生、传播、转换、应用链条也将出现根本性变化。在这一背景下，我国实现能源结构调整，助力“零碳能源”的相关研究正在如火如荼地展开。

在石河子大学机械电气工程学院教授龚立娇看来，“双碳”目标是一个系统工程，也是一个全局工程，是环境可持续发展的必然要求。而她目前和研究团队所致力的新型环境能量采集技术、无接触电能传输技术、新型/无线传感器及仪器技术、可再生能源发电系统等研究方向就与“零碳能源”“零碳电力技术”息息相关。在科技发展的大背景下，任何相关领域的进步都会成为推动时代车轮滚滚向前不可或缺的力量。“虽然我们现在所做的研究不是主流的，只是大的领域方向的一部分，但是我们一直在通过自己的研究，为我国的‘双碳’目标达成贡献价值。”龚立娇说。扎根西部边陲，她还在用行动践行着自己的科研理想。 

逐梦——积跬步而至千里 

2003年10月15日，中国自行研制的“神舟五号”载人飞船在酒泉卫星发射中心成功发射。当时，还在石河子大学机械电气工程学院担任助教的龚立娇看到这则新闻十分振奋。21世纪初期，我国航空航天事业逐渐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国的科技水平，因此她愈发想深入这一领域一探究竟。功夫不负有心人，2005年9月龚立娇顺利被南京航空航天大学录取，到智能材料与结构航空科技重点实验室这一国内目前唯一专门从事智能材料与结构研究的部级重点实验室开展研究工作。正是在这一阶段，她接触到了压电材料。

压电材料是指材料在外力作用下产生电荷，或反过来在变化电场作用下发生形变的一种弹性功能材料。一般来说，飞机的蒙皮材料就包含很多压电材料，它既可以做传感器测量飞机型号，也可以做驱动器去减振抑振。而飞行器的智能结构则要求相关材料具备自诊断、自适应、自修复等功能，在这一背景下，龚立娇的导师便提出了能否利用压电材料进行能量采集，这就相当于传感器本身不需要额外接电，自己采集工作环境中的能量，再应用于自身信号的传输与量测，以形成自供电、自传感。而基于压电材料进行能量采集便是龚立娇研究生期间的主攻方向，她在这一领域积累了丰富的经验。回到石河子大学之后，她并没有停止在这一领域的探索。在时任石河子大学机械电气工程学院院长曹卫彬的鼓励下，她开始尝试申请关于这一领域的国家自然科学基金项目。令她惊喜的是，自己首次申请的研究项目“悬臂压电发电机及其功率调节系统协同设计”成功获批了国家自然科学基金青年项目。

凭借相关项目支持，龚立娇开始了长达3年的科学研究历程。但当时只是讲师的她并没有自己的科研团队，很多工作只能靠自己独立完成，因此项目完成过程异常艰难，成果也未曾达到她自己的预期。在此之后，龚立娇得到了前往中国科学技术大学工程科学学院仪器科学与技术专业攻读博士研究生的机会，这支科研团队在压电的智能能量采集中有丰富的科研经验。在团队成员的协同攻关下，她对之前的自然科学基金项目进行了后续的完善，相关成果大大超过了自己的预期。在这一项目的基础上，龚立娇之后的科研工作开展也愈加顺利。 

扎根——助力祖国能源事业 

征途漫漫，唯有奋斗。从单枪匹马开展科研工作，到2017年左右龚立娇的科研团队终于初具雏形，她的科研之路也逐渐步入正轨。基于博士阶段的研究，她马不停蹄开展后续的开拓性科研探索，并成功申请了国家自然科学基金地区科学基金项目“基于压电结构多模态振动特性的宽频带振动能量高效收集系统理论与关键技术研究”。十年磨一剑，砺得梅花香。从2009年到2019年，龚立娇的科研项目经历了10年的研究跨度。在之前研究成果的基础上，她开始了全新的科研奋斗征程。

近些年来，利用压电材料的压电效应，将环境中的振动、噪声、波浪等机械能转化为电能，成为能量领域的研究热点之一。而压电俘能器以其微型、环保、自供能的特点在微电子设备应用领域得到广泛关注。但是在能量采集过程中，一个压电俘能器只能对单一频率的振动能进行采集，而这一限制，极大影响了其后续的应用前景。在这一背景下，龚立娇一直在尝试拓宽压电俘能器的能量采集范围。博士期间，她就曾通过对振子的设计，实现了频带宽度从二三十赫兹到50赫兹及以上更宽阔范围内的振动频带响应，再将振动能转化为电能并加以收集，以此克服了压电俘能器实用化的痛点问题。在此基础上，她和研究团队又在国家自然科学基金的支撑下，开始针对能量采集电路进行后续的设计，为今后更好地科研应用奠定了坚实的基础。

学无止境，勤则可达。在多年的科研征程中，龚立娇从未囿于过往的研究方向，而是在教学相长中不断扩宽自己的科研之路。

新疆是能源大区，拥有丰富的新疆风能资源，其风能总储量达89亿千瓦，约占全国的20.4%。作为一名土生土长的新疆人，龚立娇一直心系祖国的能源事业。在国家对西部高校所设立的对口支援政策的支持下，他们联合重庆大学可再生能源发电利用的相关团队，共同申报了国家自然科学基金面上项目“电网扰动下双馈风电机组传动链扭振疲劳寿命损耗研究”，开始在这一项目的基础上，拓宽风力发电电源侧研究方向，服务于祖国的能源事业。

源网荷储是新型电力系统的主要组成部分，它所包含的“电源、电网、负荷、储能”整体解决方案的运营模式，可精准控制社会可中断的用电负荷和可调度的储能资源，提高电网安全运行水平。针对电源这一研究方向，龚立娇和研究团队成员共同开展了体系建模以及电网扰动或电网侧短路对风电机组的影响研究，以保证风力发电的安全运行，为祖国的能源发展贡献自己的一份力。 

奉献——培育留疆科研人才 

育桃李，播书香，悠悠岁月散发芬芳……龚立娇出生在新疆省昌吉市，青年时分别在沈阳、南京、合肥求学深造，此后回疆开展教学科研工作，在这里度过了自己人生中的重要岁月。对于她来说，新疆是自己热爱的家乡，更是自己科研梦想生根的地方。多年来她见证了石河子大学电气工程本科专业肇基到成为一流专业的奋进之路，并由衷地希望能有更多的人才扎根在这片热土之上，施展自己的理想与抱负。“新疆作为国内的能源基地，承担着西电东送的重任，不管是新疆电网的电力建设还是推动整个电力行业发展，都需要更多的大学生人才，而我们电气专业的设置初衷，也是为了服务地方经济，为新疆留住人才。”她说。

初心如磐，砥行致远。多年来，龚立娇倾心在教育事业中，从2013年到现在已经成功培养了13名硕士研究生。为了能够在研究生培养中，打通学生就业的最后一公里，作为石河子大学与新疆天富能源股份有限公司联合培养研究生示范基地（自治区级）的负责人，她创新与企业导师的联合培养制度，已有46名研究生在企业从事与能源电气类有关实践项目的研究，有利地促进了研究生的实践应用能力的培养和提升。现如今她还担任着17位硕士生、2位博士生的科研指导工作，并积极与企业开展技术合作。在这一培养方式下，学生们有了前往国内各大能源公司实习锻炼的机会，在实践中增强了他们将科学研究学以致用的能力。

能源事业，大有可为。其功在当代，利在千秋。在龚立娇看来，随着科学研究的不断深入，可再生能源未来将会持续朝着实用化方式推进。今后，她还将和团队立足于生态目标，在可再生能源发电及其利用等方面，开展一系列工作。“随着整个环境产业链技术的持续进步，我们还将研发出更加实用化的系统技术，以达到学以致用、学有所用的目标。”她坚定地说。 

来源：科学中国人 2023年6期 创新之路