暨南大学唐群委团队ACS Nano：面向低频波浪能采集的多轨道定向独立层式摩擦纳米发电机

引言

发展海洋能量转换技术是优化海洋能源结构、拓宽“蓝色经济”领域的战略要求，摩擦纳米发电机（TENG）以其独特的优势为高效捕获波浪能提供了一种潜在的方法。近年来，TENG的结构设计逐渐从液-固接触式转变为基于独立层滑动模式的球形结构，因为球形结构易于漂浮在海面上，能够捕获多向波。然而，球形结构的TENG将不可避免地遇到与波浪同时运动而不受约束的情况，这将严重影响波浪能转换效率。对于其他类型的TENG，如鸭式和船式结构，无论是球还是杆在曲面上滚动时，滚动体都会发生无序运动和碰撞，从而造成摩擦能量损失，降低转换效率。因此，TENG内部结构设计的核心问题不仅是充分利用内部空间进行波浪能的采集，而且要最大限度地提高波浪能向TENG动能的转化效率。值得注意的是，波浪和TENG装置之间的匹配频率也会显著影响能量转换效率。当TENG的运动频率与波浪的固有频率发生共振时，TENG就可以实现稳定的最大功率转换效率。

成果简介

近日，暨南大学唐群委教授研究团队研制了一种用于低频波浪能采集的多轨道独立层式摩擦纳米发电机（NDM-FTENG）。系统地研究和优化了轨道数、连接方式、振荡频率和振荡幅度等结构参数对NDM-FTENG电学输出性能的影响。在波浪振荡频率为0.21 Hz和摆幅为120°的条件下，单个NDM-FTENG测得最大开路电压为507 V，可获得4 W/m³的最大瞬时功率密度，同时点亮320个LED灯。NDM-FTENG使用约两个月后电学输出性能基本没有衰减，具有良好的稳定性和耐用性。NDM-FTENG被证明是在真实的波浪环境中驱动小型电子器件的有效装置，并且通过将更多的NDM-FTENG装置并联在一起，形成一个面向大规模蓝色能源收集的网络，拥有进一步增大波浪能发电功率的巨大潜力。相关成果以题目“Nodding Duck Structure Multi-track Directional Freestanding Triboelectric Nanogenerator toward Low-Frequency Ocean Wave Energy Harvesting”发表在ACS Nano期刊上，第一作者为刘利强博士，暨南大学杨希娅副教授和唐群委教授为共同通讯作者。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.1c00345

图文简介

图1 NDM-FTENG的结构设计和工作机理

图1.（a-b）NDM-FTENG结构及内部多轨道FTENG装置的示意图；（c）单个FTENG的工作机理及（d1-d3）COMSOL模拟的电势分布；NDM-FTENG使用不同介电材料时的（e）V_oc和（f）I_sc；（g）PPCF表面改性后的SEM和AFM图。

图2不同连接方式时NDM-FTENG的输出性能

图2.（a-b）FTENG单元之间的不同连接方式示意图；（c）NDM-FTENG不同层之间的并联连接示意图； FTENG在并联、串联模式下的（d）V_oc、（e）I_sc和（f）Q_sc；单个NDM-FTENG内部三层之间并联的(g）V_oc，（h）I_sc和（i）Q_sc。

图3 NDM-FTENG的内部结构优化

图3.（a-b）COMSOL模拟尼龙球直径为10～35mm时FTENG的电势分布和最大电位差；NDM-FTENG第一层的（c）V_oc、（d）I_sc和（e）Q_sc；尼龙球表面改性前后NDM-FTENG的（f）V_oc、（g）I_sc和（h）Q_sc。

图4 不同波浪条件下NDM-FTENG的输出性能

图4. 在（a-c）摆动频率0.13~1.64 Hz和（g-i）摆动角度0~120°条件下NDM-FTENG的电学输出性能；（d）NDM-FTENG的输出性能随频率的变化趋势和误差带图；（e）尼龙球在弧形轨道上滚动的受力和摆动频率的动态分析；（f）NDM-FTENG的摆动角示意图。

图5 NDM-FTENG的输出功率及应用潜力

图5.（a）单个NDM-FTENG输出电流和功率密度；（b）在0.21 Hz条件下单个NDM-FTENG的充电能力；（c）在两个月内单个NDM-FTENG的V_oc、I_sc和Q_sc稳定性测试；（d）NDM-FTENG通过电源管理电路驱动320个LED灯和电子计时器；（e）双机组并联NDM-FTENG在水池中的应用及面向大规模海浪能量采集的NDM-FTENG网络设计；(f-h）两个NDM-FTENG并联在水池中运行时的V_oc、I_sc和Q_sc；（i）单个和两个并联的NDM-FTENG的充电电压对比；（j）单个、两个并联或串联的NDM-FTENG的储能统计。

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