圆柱形摩擦纳米发电机：收集低频波浪能的新方法

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撰文 | Penn

编辑 | 郭郭

→ 这是《环球零碳》的第541篇原创

海洋观测对于了解海洋生态系统和气候变化至关重要。海洋平台上的传感器和其他设备可以监测海啸、飓风和海洋天气，以帮助保护沿海社区的安全。

然而，海洋观测系统主要由寿命有限的电池供电，而且海上更换电池成本昂贵。这种限制正促使科学家们开发一种可持续的蓝色能量收集解决方案。相对于受天气情况影响较大的太阳能和风能，波浪能是一种高能量密度、不受天气影响且储量丰富的能源，同时波浪能对于为海洋观测系统供电具有很强的成本竞争力。

近日，美国太平洋西北国家实验室 (PNNL) 的研究人员开发了一种收集波浪能的不同寻常的方法，即围绕摩擦起电效应设计的轻轻滚动的圆柱体。这种新型倍频圆柱形摩擦纳米发电机 (FMC-TENG) 是一种将波浪能转化为电能为海上设备供电的小型发电站。该发电机的更大版本可用于为海洋观测和通信系统提供动力，包括声学和卫星遥测。

PNNL实验室研究员、新型圆柱形摩擦纳米发电机的共同开发者Daniel Deng解释说："TENG成本低、重量轻，并能有效地将缓慢、均匀或随机的波浪转化为电能，这使它们特别适合于为公海中的设备供电，因为那里的监测和访问具有挑战性且成本高昂。”

这项研究得到了美国能源部的资助，其研究成果已发表在《纳米能源》杂志上。

图说：用于收集低频波能为海洋观测系统供电的倍频圆柱形摩擦纳米发电机

来源：Nano Energy

摩擦起电效应及其应用

用摩擦的方法使两个不同的物体带电的现象，叫摩擦起电（或两种不同的物体相互摩擦后，一种物体带正电，另一种物体带负电的现象）。摩擦起电的实质是电子由一个物体转移到另一个物体的结果，使两个物体带上了等量的电荷。得到电子的物体带负电，失去电子的物体带正电。

图说：摩擦起电效应

来源：[4]

研究人员在倍频圆柱形摩擦纳米发电机中正是利用同样的效应来产生电力。圆柱形的摩擦纳米发电机（TENG）由两个嵌套的圆柱体组成，内圆柱体可自由旋转。两个圆柱体之间是人造毛皮条、铝电极和一种类似于聚四氟乙烯的材料，称为氟化乙烯丙烯（FEP）。当摩擦纳米发电机沿着海浪表面滚动时，一个圆筒上的人造毛皮和铝电极与另一个圆筒上的FEP材料发生摩擦，产生静电，可以转化为电能。

圆柱形TENG移动得越多，它产生的能量就越多。这就是为什么快速、频繁的海浪能比开阔海洋中上较慢、较均匀的海浪产生更多的能量。为了设计出一种可以在公海上为电子设备供电的TENG，邓和他的团队开始着手增加FMC-TENG中转化为电能的波浪能量的数量。事实证明，关键是暂时阻止 FMC-TENG 的内筒移动。

图说：磁力制动系统采用慢波振荡并将其转化为两个滚筒间的摆动，从而放大摩擦电能输出

来源：PNNL

在FMC-TENG中，该团队放置了磁铁以阻止设备中的内圆柱旋转，直到它到达波峰，使其能够积聚越来越多的势能。接近波峰时，磁铁释放，内部圆柱体开始快速滚下波浪。更快的运动更有效地产生电力，从更慢的波产生更多的能量。

公海波浪能转换器

最初，研究人员对 FMC-TENG 进行了半解析建模，以从理论上验证 FMC-TENG 的有效性。然后，通过模拟海洋波浪运动的波浪运动模拟器与传统的 C-TENG 进行比较，评估了 C-TENG 的电气特性。同时，研究人员在一个 12 m 长的水箱中对FMC-TENG 进行了优化，试验证明其在0.33 Hz的正弦波频率下峰值功率密度可达到6.67 W/m 3。最后，研究人员使用 FMC-TENG 阵列演示了为声发射器供电，证明了它可以为海洋观测系统供电。

图说：新型纳米发电机 FMC-TENG 利用公海的波浪能发电

来源：PNNL

目前，FMC-TENG原型可以产生足够的电力来运行小型电子装置，如温度传感器和声学发射器。随着研究团队对他们的设计进行迭代以用于商业用途，FMC-TENG有望产生足够的电力来运行由多个传感器和卫星通信组成的整个开放海洋监测平台。此外，FMC-TENG很轻，可以用于自由漂浮的设备和停泊的平台。

"FMC-TENG是独一无二的，因为很少有高效的、能够从低频海浪中产生大量电力的波浪能转换器，"Deng说。"这种类型的发电机有可能为带有传感器阵列的集成浮标提供动力，以完全利用可再生海洋能源追踪开阔水域、风和气候数据。"

海浪能具有丰富的储量和可再生特性，是一种很有潜力而且可大规模开发利用的能源。自 2014 年以来，用于收集波浪能量的摩擦纳米发电机 (TENG) 得到了积极的开发。新型倍频圆柱形摩擦纳米发电机 (FMC-TENG)为高效的超低频波能量收集提供了新的视野，并为人类利用海洋的蓝色能量提供了新的可能性。

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