王中林院士&張弛Adv. Funct. Mater.: 海洋能摩擦納米發電網絡的能量管理

鋼鐵俠 5年前 (2019-01-13) 4859瀏覽

【前言】

隨著人類社會的發展，能源始終是關鍵的話題，因為它在人們的生活中是不可或缺的。近年來，由化石燃料燃燒所導致的氣候惡化和能源危機引起了世界范圍內的關注。因此，當前急需尋找其他可再生的清潔能源。海洋波浪能儲量豐富，且幾乎不依賴于環境條件，是一種有望大規模應用的可再生能源。然而由于有效的、經濟的能量采集技術的缺乏，這種能源很少被開發使用。目前，大多數的波浪能發電裝置都是基于電磁感應發電機，具有笨重、體積龐大、昂貴、易腐蝕、在海浪頻率下效率低下的缺點。所以，需要尋找一種小型、輕量化、經濟的、一體化的水波能量收集方法。

摩擦納米發電機（TENG）提供了一種將機械能轉化成電能的新途徑，具有收集海洋表面波浪能的巨大潛能。由于與電磁發電機在物理機制上的根本差異，摩擦納米發電機有望成為收集低頻機械能特別是“藍色能源”的“殺手”應用。2014年王中林院士提出“藍色能源”的思想，將成千上萬的發電單元連接成TENG網絡用來收集大范圍的波浪能。之后，內嵌金屬球的格子狀結構和球殼結構單元組成的發電網絡被研制出來，以及通過彈簧和多層結構的引入，球形發電單元的性能得到了很大的改進。但是，由于大的阻抗和不平衡的負載匹配，發電機網絡很難直接驅動電子設備或者給儲存設備充電。所以，為了打破這一瓶頸，有效的能量管理是非常有必要的，這有利于實現更有效的水波能利用。

【成果簡介】

近日，中科院北京納米能源與系統研究所的王中林院士和張弛研究員（共同通訊作者）等人探究了面向海洋能收集的摩擦納米發電機網絡的能量管理技術與方法，并在Advanced Functional Materials上發表了題為“Triboelectric Nanogenerator Networks Integrated with Power Management Module for Water Wave Energy Harvesting”的論文，博士生梁茜、蔣濤副研究員和博士生劉國旭是論文的共同第一作者。在這項工作中，作者基于耦合彈簧及多層結構的球形發電單元，構建了海洋能收集的納米發電機網絡，并與能量管理模塊有效集成。通過對發電機網絡的能量管理，在負載電阻上得到平穩持續的電壓輸出，實現給電容充電時儲存能量提高96倍，并能持續驅動溫度計測量水溫，且每10秒鐘無線發射信號一次。這項研究擴展了能量管理技術在海洋能收集領域的應用，有利于推動藍色能源技術的發展。

【圖文導讀】

圖1. 球形摩擦納米發電機網絡的構建

a)耦合彈簧及多層結構的球形發電機單元的結構示意圖；

b)球形發電機基本單元的工作原理示意圖；

c)球形發電機網絡的結構示意圖；

d)發電機網絡器件的照片；

e)發電機網絡器件在水波中點亮LED燈的照片；

f)水波驅動的自驅動系統構建的框架。

圖2. 水波類型及水波頻率對發電機網絡性能的影響

a)不同頻率的橫向正弦波作用下發電機網絡的輸出電流，b)輸出電壓，和c)功率-電阻關系；

d)不同頻率的橫向脈沖波作用下發電機網絡的輸出電流，e)輸出電壓，和f)功率-電阻關系；

g)不同頻率的縱向脈沖波作用下發電機網絡的輸出電流，h)輸出電壓，和i)功率-電阻關系；

圖3. 水波的振動幅度對發電機網絡性能的影響

a)橫向正弦波作用下發電機網絡的輸出電流與水波振幅的關系；

b)發電機網絡的輸出電壓與水波振幅的關系；

c)發電機網絡的輸出功率-電阻曲線與水波振幅的關系；

d)在不同類型水波作用下發電機網絡的輸出功率的比較。

圖4. 發電機網絡經能量管理后的輸出性能和充電性能

a)對發電機網絡進行能量管理的原理示意圖；

b)經能量管理后，在縱向脈沖波作用下，發電機網絡在負載電阻上產生的輸出電壓；

c)能量管理后，給不同電容充電的電壓曲線；

d)電壓的直流分量與電阻的關系及電容上儲存能量與電容的關系；

e)給10mF電容器直接充電與能量管理后充電的電壓曲線比較。

圖5. 發電機網絡能量管理后的應用展示

1.a) 經能量管理后，在橫向正弦波作用下，發電機網絡驅動數字溫度計的照片；

2.b) 能量管理后的發電機網絡驅動數字溫度計時的電壓曲線；

3.c) 經能量管理后，在橫向正弦波作用下，發電機網絡驅動無線發射器發射信號報警的照片；

4.d) 能量管理后的發電機網絡驅動無線發射器時的電壓曲線。

【結論】

綜上所述，作者基于耦合彈簧及多層結構的球形摩擦納米發電機單元制備了納米發電機網絡，并與能量管理模塊有效地集成。在橫向正弦、橫向脈沖和縱向脈沖波三種類型水波中研究了水波頻率和振幅對發電網絡輸出性能的影響。在縱向脈沖波中發電網絡產生的最高輸出為270 μA, 354 V, 12.20 mW (對應于3.33 W m^-3)。經過能量管理，發電機網絡能在負載電阻上輸出平穩持續的電壓，給電容充電時儲存能量提高了96倍，并能持續驅動溫度計測量水溫，且每10秒鐘驅動無線發射器發射信號一次。這些結果顯示了能量管理后發電機網絡的性能有了很大的改進，展示了藍色能源應用的巨大前景。

文獻鏈接：Triboelectric Nanogenerator Networks Integrated with Power Management Module for Water Wave Energy Harvesting (Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201807241)

【團隊介紹】

王中林院士：中國科學院外籍院士和歐洲科學院院士。現為佐治亞理工學院終身校董事講席教授，Hightower終身講席教授，中國科學院北京納米能源與系統研究所所長兼首席科學家。已在國際一流刊物上發表了超過1400篇期刊論文（其中40余篇發表在 Science、Nature及子刊上），7本科學專著，超過200 項專利。Nano Energy 的發刊主編和現任主編。他已被邀請做過900多次學術講演和大會特邀報告。2015年湯森路透引文桂冠獎獲得者，2018年第十一屆埃尼“前沿能源獎”獲得者，位列Google Scholar（谷歌學術）2018年公布的全球納米技術專家學術引用與影響力排行榜第一名。王中林院士的研究具有原創性，前瞻性和引領性。他在電子顯微學和納米科學方面有多項國際重要影響力的原創性和開創性研究成果，其中包括反射電子能量損失譜，等離子體激發，電子的非彈性散射理論，透射顯微鏡中納米材料的力學和電學性能的原位測量技術，納米氧化鋅的生長和控制，納米發電機，壓電電子學，壓電光電子學，納米傳感等。

張弛：中國科學院北京納米能源與系統研究所研究員，摩擦電子學研究組負責人。主要從事納米發電機和自驅動微系統領域的研究，集中于摩擦納米發電機、摩擦電子學器件、自供能微納儀器與設備等，并開展其在柔性機械、智能裝備和物聯網等領域的應用研究。已發表論文80余篇，獲25項國內外專利授權。出版中國微米納米技術研究叢書1章。在國際學術會議做大會報告1次，邀請報告20余次。主持國家自然科學基金、北京市自然科學基金、中國博士后科學基金、中科院及北京市科技項目等。獲評中國新銳科技人物卓越影響獎、北京市科學技術二等獎、北京市青年拔尖團隊帶頭人、北京市科技新星、中國科學院青年創新促進會會員、NSK中日友好機械工學優秀論文獎。

梁茜、劉國旭（共同一作）為北京納米能源所王中林院士和張弛課題組的博士研究生，蔣濤（共同一作）為北京納米能源所王中林院士課題組副研究員。

附：王中林院士個人成果網址：

http://www.nanoscience.gatech.edu/group/Current%20Members/Group%20Leader/Zhong%20Lin%20Wang.php

王中林院士研究組主頁：http://www.binn.cas.cn/ktz/wzlyjz/yjzjjwzl/

2.Toward the blue energy dream by triboelectric nanogenerator networks?(Nano Energy, 2017, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.06.035)

3.Coupled Triboelectric Nanogenerator Networks for Efficient Water Wave Energy Harvesting(ACS Nano, 2018, https://doi.org/10.1021/acsnano.7b08674)

4.Integrated triboelectric nanogenerator array based on air-driven membrane structures for water wave energy harvesting (Nano Energy, 2017, http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2016.11.037)

5.Spring-assisted triboelectric nanogenerator for efficiently harvesting water wave energy(Nano Energy, 2017, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2016.12.004)

6.Silicone-Based Triboelectric Nanogenerator for Water Wave Energy Harvesting (ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, https://doi.org/10.1021/acsami.7b17239)

7.Spherical Triboelectric Nanogenerators Based on Spring‐Assisted Multilayered Structure for Efficient Water Wave Energy Harvesting (Adv. Funct. Mater., 2018, https://doi.org/10.1002/adfm.201802634)

本文系作者課題組供稿。

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