华南理工大学吴昊团队CRPS：利用“切片披萨”状电极实现全方向波浪能量收集 | Cell Press论文速递

物质科学

Physical science

近日，华南理工大学物理与光电学院吴昊教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上发表了题为“Omnidirectional Water Wave Energy Harvesting by Spherical Triboelectric Nanogenerator with Sliced Pizza-shaped Electrodes” 的研究论文，提出了一种具有“切片披萨”形电极的球形摩擦纳米发电机，实现了全方向波浪能的高效收集。

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面对日益严峻的能源危机和环境污染问题，开发清洁、可再生能源利用技术以及探索新的能源来源至关重要。海洋覆盖了约70 %的地球表面面积，含有大量尚未开发的波浪动能。然而，尽管波浪能采集技术的研究已有半个世纪，由于波浪运动的低频和不规律特性，其有效利用仍面临巨大挑战。

过去十年，摩擦纳米发电机（TENG）因在采集环境机械能，特别是波浪能采集方面的潜力而被广泛研究。与传统的电磁发电机相比，TENG在将低频动能转换为电能时效率更高。利用其高灵活性和低成本等优势，人们设计了各种用于波浪能收集的TENG器件结构。然而，尽管取得了诸多进展，但高效地从各个方向收集波浪能仍然是一个重大挑战。以往TENG器件为了追求多方向波浪能收集而不得不牺牲器件内部的可用空间和摩擦面积，最终限制了器件的总体效率。

为此，论文提出了一种用于全方向波浪能收集的球形摩擦纳米发电机（SP-TENG），其具有多层“切片披萨形”电极，可以高效地从所有方向收集波浪能。器件的每层结构中，对角方向的扇形部分构成了TENG单元，无论触发方向如何，所有TENG单元都同时工作，形成合并输出，保证了在各方向上波浪能的高效收集。此外，该器件采用聚丙烯纤维作为摩擦层材料，进一步提高了摩擦层与摩擦球之间的接触效率，增强了器件整体的电荷输出。通过充分利用SP-TENG器件内部的可用空间和摩擦表面，实现了最大化的电能输出。在0.6 Hz的超低频率下，该器件在任何方向触发下均可实现约2.4 mC/m³的体积电荷输出和13 W/m³ 的峰值功率输出，该结果为现有全方向波浪能量收集器件输出报道的最高值。该器件可以在真实水波的驱动下点亮500个LED小灯，以及驱动用于监测温度和湿度的无线传感系统。

图1. A. 用于波浪能量收集的球形TENG器件结构的发展史。B. SP-TENG的结构示意图。C. SP-TENG的实物图（SP-TENG的直径为7厘米）。D. 传统TENG和SP-TENG在0°到360°方向角下的电荷输出对比。E. 本工作中的体积电荷密度和瞬时功率与其他多方向波浪能收集器件的比较。

图2. A. SP-TENG与对照组TENG在0 ° 和90 ° 方向角度的机械驱动下，点亮500个LED小灯的效果对比。B. 在0°、45°和90°方向角度的外部机械驱动下，SP-TENG和对照组TENG对22 μF电容的充电能力对比。C. 大规模SP-TENG网络应用系统的愿景图。D. SP-TENG与传统球形TENG在真实水波环境下的输出电流对比。E. SP-TENG配合电源管理电路为无线温湿度传感系统供电的输出电压随时间的变化。F. 使用SP-TENG收集波浪能驱动自供电无线温湿度监测系统的照片。G-H. 基于SP-TENG的自供电无线温湿度监测系统的示意图。

华南理工大学博士研究生洪泓鑫为文章第一作者，本科学生陈天乐和杨健俊为并列第一作者，吴昊教授为该文章通讯作者。该工作得到了广东省基础与应用基础研究基金自然科学基金面上项目、广东省科技创新战略专项资金（大学生科技创新培育）和小米青年学者项目的支持。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社

旗下期刊Cell ReportsPhysical Science上，

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▌论文标题：

Omnidirectional Water Wave Energy Harvesting by Spherical Triboelectric Nanogenerator with Sliced Pizza-shaped Electrodes

▌论文网址：

https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(24)00182-6

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.101933

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