研究背景
持续的海洋观测有助于确保海洋资源的可持续利用，提高气候变化预测的准确性，并为海洋污染控制与决策提供数据支持。在海洋观测中，各种海洋观测站和传感器网络发挥着重要作用。这些设备通常由太阳能电池、燃料电池供电，或通过电缆连接发电站，以在远离陆地电网的环境中长期稳定运行。然而，每种供电方式在续航时间和环境依赖性方面各有局限。因此，有必要开发新技术和集成解决方案，以提高能源供应的可靠性和效率。波浪能因其广泛分布、资源丰富，并且不受季节、时间或天气影响，因而非常适合作为海洋设备和传感器的长期能源。目前，利用海洋波浪能的电磁发电机（EMG）体积庞大、机械结构复杂且制造成本高。新兴的摩擦纳米发电机（TENG）因其灵敏度高，能够有效收集微弱的机械能，并且比电磁发电机更高效地将机械能转化为电能，因此显示出在波浪能收集方面的巨大潜力。然而，当前TENG在超低频波浪能收集中的输出性能较差，且需要额外的电源管理电路和整流装置来稳定电流方向，这增加了设备的复杂性和维护成本，实际应用中仍面临诸多挑战。
文章概述
近日，中国科学院深海科学与工程研究所杨阳团队联合天津工业大学、深圳大学及台湾中兴大学，成功研发了一种基于摩擦纳米发电机（TENG）技术的全方位收集低频海洋波浪能的发电装置（aDC-TENG）。该装置采用双层拱形结构，降低了主流海洋波浪能TENG的响应频率，能够有效捕捉低至0.1 Hz的海洋波浪能。此外，独特的电极排布使aDC-TENG在运行时形成单向电流回路，降低了电源管理的复杂度，拓宽了DC-TENG的应用场景。在0.1 Hz激励下，该装置成功产生23.5 μA的单向峰值脉冲电流。将aDC-TENG阵列与能量响应装置集成于浮标底部，可实现全方位收集低频海洋波浪能。与实验室环境相比，制造的aDC-TENG在自然海洋环境中展现出良好的适应性，通过三亚湾的海上系泊实验成功证明了这一点。该设计可为海上近远海设备提供持续稳定的能源供应，有望实现清洁可再生能源的有效利用，在未来蓝色能源收集方面具有广阔前景。该成果以“Omni-directional harvesting of ocean wave energy using arch-shaped double-layered direct-current triboelectric nanogenerator”为题发表在《Nano Energy》上。论文第一作者为中国科学院深海科学与工程研究所/天津工业大学硕士研究生冯浩男，中国科学院深海科学与工程研究所杨阳研究员、天津工业大学张博雯教授、深圳大学尚琛晶研究员、台湾中兴大学赖盈至教授为共同通讯作者。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110365
图文导读
图1 aDC-TENG的结构设计和工作机理。(a)aDC-TENG阵列与海洋浮标相集成的示意图。(b)单个aDC-TENG单元的三维结构示意图。(c)aDC-TENG的工作原理示意图。(d)aDC-TENG电位分布的有限元模拟结果。(e)aDC-TENG工作期间产生的静电击穿照片。(f)、(g)aDC-TENG能够调节其输出电流脉冲的方向。
图2 aDC-TENG的材料和结构优化。(a)测试平台和aDC-TENG主要结构示意图。使用(b)-(d)不同介电材料、(e)-(g)不同FEP厚度和(h)-(j)不同电极面积时，单个aDC-TENG的ISC、VOC和 QSC特性。
图3 aDC-TENG的输出性能。(a)-(c)测试平台的示意图，触发角度分别为5°、10°和15°。(d)-(f)ISC和(g)-(i)触发球在不同距离和不同触发角度滚向aDC-TENG时的VOC。(j)-(l)不同质量的触发球以不同触发角度撞击aDC-TENG时的ISC特性。
图4 aDC-TENG的低频响应特性。(a)aDC-TENG并联方案示意图。不同单元的aDC-TENG并联后的(b)ISC和(c)VOC。aDC-TENG在(d)0.1 Hz、(e)0.2 Hz和(f)0.3 Hz下的ISC。(g)aDC-TENG在1.0 Hz触发频率下进行了3000次循环测试。
图5将aDC-TENG为海洋传感器等电子设备进行供能测试。(a)aDC-TENG模块输出电压和电流与电阻的关系。(b)在不同负载电阻下测得的峰值输出功率。(c)四种不同电容器的充电曲线。(d)aDC-TENG 最初产生的电流与两个月后产生的电流的比较。(e)显示aDC-TENG、电源管理电路和传感器之间连接的电路图。(f)计算器和(g)包含温度和湿度传感器的设备在使用aDC-TENG 充电时的电压曲线。
图6 aDC-TENG在自然海洋环境中用于全向海洋波浪能收集的演示。(a)用于大规模海洋波浪能收集的aDC-TENG网络设计原理图。(b)用于波浪能收集的aDC-TENG系统阵列电路图。(c)全向测试期间aDC-TENG阵列的ISC特性。(d)在实验室中以0.1 Hz的振动频率运行的单个aDC-TENG直接为230个LED供电。(e)在中国三亚湾的自然海洋环境中，使用aDC-TENG阵列瞬间连续点亮50个绿色LED阵列的照片
总结
综上所述，为有效收集储量巨大的波浪能，研究团队开发了一种双层拱形低频直流摩擦纳米发电机（aDC-TENG）用于全向低频海浪能量收集。aDC-TENG将新颖的双层拱形结构设计与独特的电极分布相结合，在aDC-TENG运行时，可在其边缘利用空气击穿效应形成单向电流回路，同时可以响应低至0.1 Hz的波浪频率。在获得高电流输出的同时，该装置对低频波浪也具有较好的响应，拓宽了收集波浪能的范围，为有效收集波浪能提供了新思路。综上，该装置在波浪能收集和海洋传感领域具有广阔的应用前景。研究团队表示在未来将持续优化波浪能收集装置的性能，为近海近岸乃至深远海海洋设备提供持续稳定的能源供应，从而实现清洁可再生能源的高效转换和利用。
该研究工作得到国家自然科学基金（42222606, 42476236, 42376219, 62103400, 52107203, 42211540003, 42381260314）、中国科学院海洋信息技术创新研究院科研项目、海南省国际科技合作项目、三亚市科技创新专项等项目的资助与支持。
编辑：沈星星 | 审核：月铭
