暨南大學唐群委團隊ACS Nano：面向低頻波浪能采集的多軌道定向獨立層式摩擦納米發電機

引言

發展海洋能量轉換技術是優化海洋能源結構、拓寬“藍色經濟”領域的戰略要求，摩擦納米發電機（TENG）以其獨特的優勢為高效捕獲波浪能提供了一種潛在的方法。近年來，TENG的結構設計逐漸從液-固接觸式轉變為基于獨立層滑動模式的球形結構，因為球形結構易于漂浮在海面上，能夠捕獲多向波。然而，球形結構的TENG將不可避免地遇到與波浪同時運動而不受約束的情況，這將嚴重影響波浪能轉換效率。對于其他類型的TENG，如鴨式和船式結構，無論是球還是桿在曲面上滾動時，滾動體都會發生無序運動和碰撞，從而造成摩擦能量損失，降低轉換效率。因此，TENG內部結構設計的核心問題不僅是充分利用內部空間進行波浪能的采集，而且要最大限度地提高波浪能向TENG動能的轉化效率。值得注意的是，波浪和TENG裝置之間的匹配頻率也會顯著影響能量轉換效率。當TENG的運動頻率與波浪的固有頻率發生共振時，TENG就可以實現穩定的最大功率轉換效率。

成果簡介

近日，暨南大學唐群委教授研究團隊研制了一種用于低頻波浪能采集的多軌道獨立層式摩擦納米發電機（NDM-FTENG）。系統地研究和優化了軌道數、連接方式、振蕩頻率和振蕩幅度等結構參數對NDM-FTENG電學輸出性能的影響。在波浪振蕩頻率為0.21 Hz和擺幅為120°的條件下，單個NDM-FTENG測得最大開路電壓為507 V，可獲得4 W/m³的最大瞬時功率密度，同時點亮320個LED燈。NDM-FTENG使用約兩個月后電學輸出性能基本沒有衰減，具有良好的穩定性和耐用性。NDM-FTENG被證明是在真實的波浪環境中驅動小型電子器件的有效裝置，并且通過將更多的NDM-FTENG裝置并聯在一起，形成一個面向大規模藍色能源收集的網絡，擁有進一步增大波浪能發電功率的巨大潛力。相關成果以題目“Nodding Duck Structure Multi-track Directional Freestanding Triboelectric Nanogenerator toward Low-Frequency Ocean Wave Energy Harvesting”發表在ACS Nano期刊上，第一作者為劉利強博士，暨南大學楊希婭副教授和唐群委教授為共同通訊作者。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.1c00345?

圖文簡介

圖1 NDM-FTENG的結構設計和工作機理

圖1.（a-b）NDM-FTENG結構及內部多軌道FTENG裝置的示意圖；（c）單個FTENG的工作機理及（d1-d3）COMSOL模擬的電勢分布；NDM-FTENG使用不同介電材料時的（e）V_oc和（f）I_sc；（g）PPCF表面改性后的SEM和AFM圖。

圖2不同連接方式時NDM-FTENG的輸出性能

圖2.（a-b）FTENG單元之間的不同連接方式示意圖；（c）NDM-FTENG不同層之間的并聯連接示意圖； FTENG在并聯、串聯模式下的（d）V_oc、（e） I_sc和（f）Q_sc；單個NDM-FTENG內部三層之間并聯的(g）V_oc，（h）I_sc和（i）Q_sc。

圖3 NDM-FTENG的內部結構優化

圖3.（a-b）COMSOL模擬尼龍球直徑為10～35mm時FTENG的電勢分布和最大電位差；NDM-FTENG第一層的（c）V_oc、（d）I_sc和（e）Q_sc；尼龍球表面改性前后NDM-FTENG的（f）V_oc、（g）I_sc和（h）Q_sc。

圖4 不同波浪條件下NDM-FTENG的輸出性能

圖4. 在（a-c）擺動頻率0.13~1.64 Hz和（g-i）擺動角度0~120°條件下NDM-FTENG的電學輸出性能；（d）NDM-FTENG的輸出性能隨頻率的變化趨勢和誤差帶圖；（e）尼龍球在弧形軌道上滾動的受力和擺動頻率的動態分析；（f）NDM-FTENG的擺動角示意圖。

圖5 NDM-FTENG的輸出功率及應用潛力

圖5.（a）單個NDM-FTENG輸出電流和功率密度；（b）在0.21 Hz條件下單個NDM-FTENG的充電能力；（c）在兩個月內單個NDM-FTENG的V_oc、I_sc和Q_sc穩定性測試；（d）NDM-FTENG通過電源管理電路驅動320個LED燈和電子計時器；（e）雙機組并聯NDM-FTENG在水池中的應用及面向大規模海浪能量采集的NDM-FTENG網絡設計；(f-h）兩個NDM-FTENG并聯在水池中運行時的V_oc、I_sc和Q_sc；（i）單個和兩個并聯的NDM-FTENG的充電電壓對比；（j）單個、兩個并聯或串聯的NDM-FTENG的儲能統計。

本文由作者投稿。