重庆大学牟笑静教授Research：非谐振式低频电磁-摩擦复合纳米发电机用于随机、不规则海洋能量收集

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重庆大学牟笑静团队提出了一种基于倒立单摆结构的非谐振式低频电磁-摩擦复合纳米发电机，用于随机、不规则的海洋能量的收集。相关研究以 “A Nonresonant Hybridized Electromagnetic-Triboelectric Nanogenerator for Irregular and Ultralow Frequency Blue Energy Harvesting”为题发表在Research上（Research， 2021 DOI: 10.34133/2021/5963293）。

研究背景

化石燃料存储有限且其对环境污染十分严重，迫切需要开发可再生的清洁能源。海洋能是一种重要的可再生且清洁的“蓝色的能源”，具有巨大的应用潜力。目前大多数海洋取能技术尚不成熟，而且传统的海洋能收集装置存在体积大、成本高、效率不理想等问题。另外，海洋能的运动是随机、低频、不规则、多方向的，如何在狭小空间内对海洋能进行高效的收集成为制约小型海上平台、浮标、水下机器人等装置自驱动应用发展的技术瓶颈。摩擦纳米发电机是近年来新兴的能量收集技术，因具有低成本、结构简单和可收集随机低频振动等特性被广泛关注；但是该技术也存在有效工作方向单一和工作带宽较窄等不足。因此，研究一种高效、全方位响应的海洋能量收集方法对于突破技术瓶颈问题，实现高功率输出具有十分重要的现实意义。

研究进展

图1（a）是本研究提出的复合纳米发电机模型，发电机的机械结构是一种倒立单摆结构，该结构是由一块钕铁硼（NdFeB）磁铁、一个磁铁支座和一个弹簧组成，磁铁固定于磁铁支座内部，磁铁支座穿过弹簧后置于支撑面上，弹簧用来支撑倒立单摆，约束倒立单摆在支撑位置的径向移动，并为倒立单摆提供一定的弹性恢复力，通过设计不同刚度的弹簧可以调整倒立单摆的弹性恢复力大小，实现不同力度的能量收集。受弹簧和支撑面的约束，倒立单摆绕支撑位置进行摆动，摆动轨迹为一球面，从而满足发电机360°全方位响应，图1（b）是倒立单摆结构的摆动轨迹。倒立单摆是一个不稳定的结构，在外界激励的作用下，倒立单摆发生摆动，上端与固定在壳体内表面上的摩擦纳米发电机（TENG）发生碰撞产生摩擦电，摆动过程中磁体接近和远离线圈产生电磁感应电流，从而实现任意方向的低频、随机、不规则海洋能量的收集，大大提高海洋能量到电能的转换效率，图1（c）是复合纳米发电机的工作原理。

图1  复合纳米发电机的结构模型、工作原理及应用

为进一步验证复合纳米发电机的能量收集能力，在线性电动机平台上，系统地研究了振动频率对发电机输出特性的影响，图2为纳米摩擦发电机（TENG）和电磁发电机（EMG）在不同振动频率下的电流、电压输出，随着频率从0.8 Hz增加到2.3 Hz，TENG和EMG的电流曲线和电压曲线均呈现出先增大后稳定的趋势。

图2 （a）（b）TENG的电流电压输出；（c）（d）EMG的电流电压输出

图3为纳米摩擦发电机（TENG）和电磁发电机（EMG）在振动频率为2.2 Hz时提供的输出功率，TENG在负载电阻为0.5 MΩ的情况下，能提供约0.47 mW的最大输出功率，EMG在负载电阻为280 Ω时可提供523 mW的最大输出功率。此外，制作了一个简单的浮标以安装该器件，在嘉陵江上成功验证了其收集水波能的能力。

图3  TENG和EMG的功率输出

该复合纳米发电机成功应用于为无线温度感测供电，图4分别是应用系统的工作原理示意图和应用系统照片。

图4 能量收集器的应用

未来展望

海洋能量被视为一种重要的可再生清洁能源，海洋能量如果可以实现大范围商业应用，将给全球能源结构、经济和社会发展带来巨大变化，目前是国际海洋可再生能源产业发展的关键时期，我国国家能源局在《“十四五”能源规划工作方案》等有关要求中将海洋能源开发作为重要发展目标之一。本项研究较好地证明了器件收集无规则、低频振动海洋能量的能力，为其在小型海上平台、浮标、水下机器人等装置的集成应用和实现对外部电池的替代提供了一种崭新的解决方案。

原文链接
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2021/5963293/

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