暨南大学唐群委团队EES：基于混合电磁-摩擦纳米发电机的自驱动海洋无线定位

引言

随着现代工业社会的快速发展，能源短缺和环境污染是人类面临的两大挑战，发展可再生清洁能源已成为缓解化石燃料过度开采造成的资源枯竭和环境恶化的全球战略选择。高效开发利用海洋能是保障能源安全、保护生态环境、应对气候变化、实现 “碳达峰·碳中和”的有效途径，其中波浪能具有功率密度高和分布广泛等优点，被认为是最有应用前景的海洋能源之一。近年来，摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator，简称TENG）逐渐形成了自供电和无线移动的发展趋势。然而，TENG固有的电容阻抗特性仍然限制了其功率密度输出，无损信号同步输出对于最大化功率输出也是必不可少的。将摩擦发电效应与电磁感应效应相集成，结合两者输出特性的互补性构建复合型波浪能发电机，既可保留低频段TENG高电压输出的优势，又可以利用EMG在高频段工作的特点采集较高频率的波浪能，是制备宽频域、高电流密度波浪能发电机的有效途径之一。

近日，暨南大学唐群委教授团队研制了一种基于混合电磁-摩擦电纳米发电机的宽频波浪能采集和海面无线定位的自驱动跷跷板式球形浮标装置（SSTE-HNG）。单元浮标通过采用中央滑块作为核心构件，巧妙的实现了三个模块（OZ、FL、EMG）两种模式（接触-分离式、滑动式）的同步运动及两种效应的协同发电。通过系统研究三个模块的振荡频率和摆幅，优化电学输出性能, 其中锯齿形多层折纸模块（OZ）、独立层滑动式模块（FL）和电磁模块（EMG）的瞬时最大输出功率密度在 0.7Hz 的振荡频率下分别达到 17 W/m3、4.8 W/m3 和 9.8 W/m3，可同时点亮约 410 个 LED灯珠。进一步采用晶体管控制的电源管理电路交替切换过渡电容器串/并联结构，有效解决了SSTE-HNG与储能电容之间的阻抗匹配问题，显着提高了对商用4.7mF电容器充电的充电速率，使得最终输出电压稳定至2.7 到 3.3 V 范围内，从而自驱动 GPS 模块实现海面实时无线定位。该项工作为混合效应发电机的协同运动提供了一种巧妙的设计思路，SSTE-HNG 最终可构成仿生“章鱼”结构实现波浪能的多向采集，并有望与分布式传感器网络集成，应用于蓝色能量采集和智能海洋自驱动监测等领域。相关成果以题目“Self-powered seesaw structured spherical buoys based on hybrid triboelectric-electromagnetic nanogenerator for sea surface wireless positioning”发表在Energy &Environmental Science期刊上，洪泓鑫硕士生与杨希娅副教授为共同第一作者，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.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ee/d1ee02549j

图文导读

图1. (a-b) SSTE-HNG结构示意图；(c) SSTE-HNG的循环运动过程； SSTE-HNG 的结构主要包括 (d) 中央滑块结构，FL独立层滑动模块和 EMG 电磁模块；(e) OZ锯齿形多层折纸模块；(f, g) PVDF 和尼龙-TiO2静电纺丝薄膜的SEM表面形貌和接触角表征; (h) SSTE-HNG浮标单元结构照。

图2. (a) OZ 模块工作原理示意图；(b, c) 单一周期输出性能，包括 Voc、Jsc 和Qsc，以及 COMSOL 数值模拟计算结果； (d) 中心滑块质量对 OZ 模块在摆幅为20°和频率为0.7Hz下的电学输出性能的影响；(e-g) 摆动频率和幅度对 OZ 模块的输出性能影响。

图3. (a) FL模块工作机理示意图与COMSOL数值模拟计算结果；(b) 单个周期内的 Voc、Jsc 和 Qsc 输出信号； (c) FL模块中尼龙棒滑动受力分析图及对应摆角20°至70°范围内的COMSOL数值计算；(d) 0.7 Hz波频下20° 至 80° 范围内的摆角对Voc、Jsc 和 Qsc输出的影响；(e) 60°摆角下0.1至1.4 Hz 范围内的水波频率对Voc、Jsc 和 Qsc输出的影响。

图4. (a) EMG 模块工作机理示意图；(b)单个周期内的 Voc 和Isc 输出信号。(c) COMSOL磁场分布模拟；(d) 滑动频率对电磁感应输出性能的影响；(e)滑块摆幅分别从20°到80°对电磁感应输出性能的影响。

图5. (a-c) 在0.7Hz 摆频的阻性负载条件下OZ、FL 和 EMG 模块的电压、电流和功率密度输出；(d) 晶体管控制的电源管理电路示意图；(e) 单个 OZ、FL 和 EMG 模块以及对 1 - 10μF 范围内的电容器充电示意图；(f) 单个模块和 OZ、FL 和EMG 模块之间协同运行的储能比较。

图 6. (a) 跷跷板结构与“仿生章鱼”结构球形浮标应用于海面无线定位的示意图；(b) SSTE-HNG 通过晶体管控制的 PMC 驱动 GPS 模块的流程图；(c) 实验室模拟水箱搭建与无线定位电路测试照；(d) 4.7mF商用电容器驱动 GPS 模块的充电性能；(e) GPS 模块传输地理定位信息的电压信号响应；(f) GPS模块通过计算机界面显示JNU校园内实验室大楼的定位信息。

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