【材料】王中林张弛Adv.Funct.Mater.海洋能摩擦纳米发电网络能量管理

　王中林院士&张弛 Adv.Funct.Mater.海洋能摩擦纳米发电网络的能量管理

　【前言】

　随着人类社会的发展，能源始终是关键的话题，因为它在人们的生活中是不可或缺的。近年来，由化石燃料燃烧所导致的气候恶化和能源危机引起了世界范围内的关注。因此，当前急需寻找其他可再生的清洁能源。海洋波浪能储量丰富，且几乎不依赖于环境条件，是一种有望大规模应用的可再生能源。然而由于有效的、经济的能量采集技术的缺乏，这种能源很少被开发使用。目前，大多数的波浪能发电装置都是基于电磁感应发电机，具有笨重、体积庞大、昂贵、易腐蚀、在海浪频率下效率低下的缺点。所以，需要寻找一种小型、轻量化、经济的、一体化的水波能量收集方法。

　摩擦纳米发电机（TENG）提供了一种将机械能转化成电能的新途径，具有收集海洋表面波浪能的巨大潜能。由于与电磁发电机在物理机制上的根本差异，摩擦纳米发电机有望成为收集低频机械能特别是“蓝色能源”的“杀手”应用。2014 年王中林院士提出“蓝色能源”的思想，将成千上万的发电单元连接成 TENG 网络用来收集大范围的波浪能。之后，内嵌金属球的格子状结构和球壳结构单元组成的发电网络被研制出来，以及通过弹簧和多层结构的引入，球形发电单元的性能得到了很大的改进。但是，由于大的阻抗和不平衡的负载匹配，发电机网络很难直接驱动电子设备或者给储存设备充电。所以，为了打破这一瓶颈，有效的能量管理是非常有必要的，这有利于实现更有效的水波能利用。

　【成果简介】

　近日， 中科院北京纳米能源与系统研究所的 王中林院士和 张弛研究员（共同通讯作者 ）等人探究了面向海洋能收集的摩擦纳米发电机网络的能量管理技术与方法，并在 Advanced Functional Materials 上发表了题为“Triboelectric Nanogenerator Networks Integrated with Power Management Module for Water Wave Energy Harvesting”的论文，博士生 梁茜、蒋涛副研究员和博士生 刘国旭是论文的共同第一作者。在这项工作中，作者基于耦合弹簧及多层结构的球形发电单元，构建了海洋能收集的纳米发电机网络，并与能量管理模块有效集成。通过对发电机网络的能量管理，在负载电阻上得到平稳持续的电压输出，实现给电容充电时储存能量提高 96 倍，并能持续驱动温度计测量水温，且每 10 秒钟无线发射信号一次。这项研究扩展了能量管理技术在海洋能收集领域的应用，有利于推动蓝色能源技术的发展。

　【图文导读】

　 图 1. 球形摩擦纳米发电机网络的构建

　 a)耦合弹簧及多层结构的球形发电机单元的结构示意图；

　b)球形发电机基本单元的工作原理示意图；

　c)球形发电机网络的结构示意图；

　d)发电机网络器件的照片；

　e)发电机网络器件在水波中点亮 LED 灯的照片；

　f)水波驱动的自驱动系统构建的框架。

　 图 2. 水波类型及水波频率对发电机网络性能的影响

　 a)不同频率的横向正弦波作用下发电机网络的输出电流，b)输出电压，和 c)功率-电阻关系；

　d)不同频率的横向脉冲波作用下发电机网络的输出电流，e)输出电压，和 f)功率-电阻关系；

　g)不同频率的纵向脉冲波作用下发电机网络的输出电流，h)输出电压，和 i)功率-电阻关系；

　 图 3. 水波的振动幅度对发电机网络性能的影响

　 a)横向正弦波作用下发电机网络的输出电流与水波振幅的关系；

　b)发电机网络的输出电压与水波振幅的关系；

　c)发电机网络的输出功率-电阻曲线与水波振幅的关系；

　d)在不同类型水波作用下发电机网络的输出功率的比较。

　 图 4. 发电机网络经能量管理后的输出性能和充电性能

　 a)对发电机网络进行能量管理的原理示意图；

　b)经能量管理后，在纵向脉冲波作用下，发电机网络在负载电阻上产生的输出电压；

　c)能量管理后，给不同电容充电的电压曲线；

　d)电压的直流分量与电阻的关系及电容上储存能量与电容的关系；

　e)给 10mF 电容器直接充电与能量管理后充电的电压曲线比较。

　 图 5. 发电机网络能量管理后的应用展示

　 1.a) 经能量管理后，在横向正弦波作用下，发电机网络驱动数字温度计的照片；

　2.b) 能量管理后的发电机网络驱动数字温度计时的电压曲线；

　3.c) 经能量管理后，在横向正弦波作用下，发电机网络驱动无线发射器发射信号报警的照片；

　4.d) 能量管理后的发电机网络驱动无线发射器时的电压曲线。

　 【结论】

　综上所述，作者基于耦合弹簧及多层结构的球形摩擦纳米发电机单元制备了纳米发电机网络，并与能量管理模块有效地集成。在横向正弦、横向脉冲和纵向脉冲波三种类型水波中研究了水波频率和振幅对发电网络输出性能的影响。在纵向脉冲波中发电网络产生的最高输出为 270 µA, 354 V, 12.20 mW (对应于 3.33 W m -3 )。经过能量管理，发电机网络能在负载电阻上输出平稳持续的电压，给电容充电时储存能量提高了 96 倍，并能持续驱动温度计测量水温，且每 10 秒钟驱动无线发射器发射信号一次。这些结果显示了能量管理后发电机网络的性能有了很大的改进，展示了蓝色能源应用的巨大前景。