面向水波能收集的摩擦纳米发电机的性能优化

Exploiting abundant and renewable oceanic energy is of important significance for relieving energy crises and reducing the environmental pollution from combustion of minerals. Triboelectric nanogenerator (TENG) could be of huge potential toward wave energy harvesting from the oceanic surface, and provide a new strategy for wave energy conversion. In this project, the fundamental studies of water wave energy harvesting are carried on based on the network design of multiple TENG units. First, the structural design of TENGs for water wave energy harvesting would be simulated and theoretically investigated by using the theoretical model. New triboelectric materials and fabrication technologies would be developed. High performance TENGs for harvesting wave energy would be fabricated. Then, the technology to integrate TENGs into arrays and networks would be studied to realize large-scale water wave energy harvesting through effective energy management and storage. The obtained results in the project will expand the application of TENG in harvesting water wave energy, and establish foundation for large-scale blue energy harvesting.

利用丰富的可再生的海洋能源对于缓解能源危机、改善矿物燃烧对环境的破坏具有重要的意义。摩擦纳米发电机具有收集海洋表面波浪能的潜能，提供了一种波能发电的新思路。本项目将基于多发电机单元的阵列网络，进行水波能发电方面的基础研究。从摩擦纳米发电机的理论模型出发，对发电机的结构设计进行仿真分析；同时开发新型的摩擦材料及其制备工艺，研制高性能的适于水波能收集的摩擦纳米发电机；然后研究发电机单元的阵列化及网络结构设计，通过有效的电能管理和存储，实现较大范围的水波能收集。项目的研究结果将进一步扩展摩擦纳米发电机在水波能收集上的应用，为大尺度的蓝色能源收集奠定基础。

海洋蕴含着丰富的可再生蓝色能源，然而这些低质量、无序、随机、低频的能源的利用是非常困难的。传统的电磁发电机在低频下能量转换效率极低，而摩擦纳米发电机对于收集海洋低频水波能量是一个高效而且颠覆性的技术路径。. 本项目旨在基于多发电机单元的阵列网络，进行水波能发电方面的基础研究。从摩擦纳米发电机的理论模型出发，对发电机的结构设计进行仿真分析；同时开发新型的摩擦材料及其制备工艺，研制高性能的适于水波能收集的摩擦纳米发电机；然后研究发电机单元的阵列化及网络结构设计，通过有效的电能管理和存储，实现较大范围的水波能收集。. 本项目在水波能收集发电机的结构设计与性能优化、发电机网络的构建与优化和能量管理技术的研究方面取得了较大的研究进展。首先通过耦合弹簧及多层结构制备了一种可以高效收集水波能的球形摩擦纳米发电机，在输出电流和功率上均有很大的提高，单球最大输出功率达到7.96mW；设计了方形多层涡旋结构纳米发电机，可以显著提高发电机的平均输出功率，降低海水的屏蔽效应；制备了一种具有高能量转换效率的摆动结构摩擦纳米发电机，用于超低频水波能量收集，并与电磁发电机复合进一步提高水波能收集能力。基于优化的耦合弹簧与多层结构发电机，开展了摩擦纳米发电网络的构建，研究了水波种类、频率、波高等条件对性能的影响。在能量管理上，首先利用能量管理模块对基于耦合弹簧及多层结构的多方向水波能收集的球形摩擦纳米发电机进行有效的能量管理，实现给0.1F超级电容器充电时储存能量提高100倍；对发电机网络进行能量管理，实现给10mF电容充电时储存能量提高96倍，持续驱动温度计测量水温，每10秒无线发射信号一次；开发了一个全新的电荷激励电路，与电荷激励电路集成后，单球输出功率由7.96mW提高到25.8mW，实现发电网络与手机的无线通讯。本项目的研究成果对推动摩擦纳米发电技术的发展和成熟起到积极促进作用，为该能量采集技术在海洋能收集中的应用奠定基础。