暨南大學唐群委團隊EES：基于混合電磁-摩擦納米發電機的自驅動海洋無線定位

引言

隨著現代工業社會的快速發展，能源短缺和環境污染是人類面臨的兩大挑戰，發展可再生清潔能源已成為緩解化石燃料過度開采造成的資源枯竭和環境惡化的全球戰略選擇。高效開發利用海洋能是保障能源安全、保護生態環境、應對氣候變化、實現 “碳達峰·碳中和”的有效途徑，其中波浪能具有功率密度高和分布廣泛等優點，被認為是最有應用前景的海洋能源之一。近年來，摩擦納米發電機（Triboelectric nanogenerator，簡稱TENG）逐漸形成了自供電和無線移動的發展趨勢。然而，TENG固有的電容阻抗特性仍然限制了其功率密度輸出，無損信號同步輸出對于最大化功率輸出也是必不可少的。將摩擦發電效應與電磁感應效應相集成，結合兩者輸出特性的互補性構建復合型波浪能發電機，既可保留低頻段TENG高電壓輸出的優勢，又可以利用EMG在高頻段工作的特點采集較高頻率的波浪能，是制備寬頻域、高電流密度波浪能發電機的有效途徑之一。

近日，暨南大學唐群委教授團隊研制了一種基于混合電磁-摩擦電納米發電機的寬頻波浪能采集和海面無線定位的自驅動蹺蹺板式球形浮標裝置（SSTE-HNG）。單元浮標通過采用中央滑塊作為核心構件，巧妙的實現了三個模塊（OZ、FL、EMG）兩種模式（接觸-分離式、滑動式）的同步運動及兩種效應的協同發電。通過系統研究三個模塊的振蕩頻率和擺幅，優化電學輸出性能, 其中鋸齒形多層折紙模塊（OZ）、獨立層滑動式模塊（FL）和電磁模塊（EMG）的瞬時最大輸出功率密度在 0.7Hz 的振蕩頻率下分別達到 17 W/m3、4.8 W/m3 和 9.8 W/m3，可同時點亮約 410 個 LED燈珠。進一步采用晶體管控制的電源管理電路交替切換過渡電容器串/并聯結構，有效解決了SSTE-HNG與儲能電容之間的阻抗匹配問題，顯著提高了對商用4.7mF電容器充電的充電速率，使得最終輸出電壓穩定至2.7 到 3.3 V 范圍內，從而自驅動 GPS 模塊實現海面實時無線定位。該項工作為混合效應發電機的協同運動提供了一種巧妙的設計思路，SSTE-HNG 最終可構成仿生“章魚”結構實現波浪能的多向采集，并有望與分布式傳感器網絡集成，應用于藍色能量采集和智能海洋自驅動監測等領域。相關成果以題目“Self-powered seesaw structured spherical buoys based on hybrid triboelectric-electromagnetic nanogenerator for sea surface wireless positioning”發表在Energy &Environmental Science期刊上，洪泓鑫碩士生與楊希婭副教授為共同第一作者，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.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ee/d1ee02549j

圖文導讀

圖1. (a-b) SSTE-HNG結構示意圖；(c) SSTE-HNG的循環運動過程； SSTE-HNG 的結構主要包括 (d) 中央滑塊結構，FL獨立層滑動模塊和 EMG 電磁模塊；(e) OZ鋸齒形多層折紙模塊；(f, g) PVDF 和尼龍-TiO2靜電紡絲薄膜的SEM表面形貌和接觸角表征; (h) SSTE-HNG浮標單元結構照。

圖2. (a) OZ 模塊工作原理示意圖；(b, c) 單一周期輸出性能，包括 Voc、Jsc 和Qsc，以及 COMSOL 數值模擬計算結果； (d) 中心滑塊質量對 OZ 模塊在擺幅為20°和頻率為0.7Hz下的電學輸出性能的影響；(e-g) 擺動頻率和幅度對 OZ 模塊的輸出性能影響。

圖3. (a) FL模塊工作機理示意圖與COMSOL數值模擬計算結果；(b) 單個周期內的 Voc、Jsc 和 Qsc 輸出信號； (c) FL模塊中尼龍棒滑動受力分析圖及對應擺角20°至70°范圍內的COMSOL數值計算；(d) 0.7 Hz波頻下20° 至 80° 范圍內的擺角對Voc、Jsc 和 Qsc輸出的影響；(e) 60°擺角下0.1至1.4 Hz 范圍內的水波頻率對Voc、Jsc 和 Qsc輸出的影響。

圖4. (a) EMG 模塊工作機理示意圖；(b)單個周期內的 Voc 和Isc 輸出信號。(c) COMSOL磁場分布模擬；(d) 滑動頻率對電磁感應輸出性能的影響；(e)滑塊擺幅分別從20°到80°對電磁感應輸出性能的影響。

圖5. (a-c) 在0.7Hz 擺頻的阻性負載條件下OZ、FL 和 EMG 模塊的電壓、電流和功率密度輸出；(d) 晶體管控制的電源管理電路示意圖；(e) 單個 OZ、FL 和 EMG 模塊以及對 1 - 10μF 范圍內的電容器充電示意圖；(f) 單個模塊和 OZ、FL 和EMG 模塊之間協同運行的儲能比較。

圖 6. (a) 蹺蹺板結構與“仿生章魚”結構球形浮標應用于海面無線定位的示意圖；(b) SSTE-HNG 通過晶體管控制的 PMC 驅動 GPS 模塊的流程圖；(c) 實驗室模擬水箱搭建與無線定位電路測試照；(d) 4.7mF商用電容器驅動 GPS 模塊的充電性能；(e) GPS 模塊傳輸地理定位信息的電壓信號響應；(f) GPS模塊通過計算機界面顯示JNU校園內實驗室大樓的定位信息。

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