薛晨阳: 用于波浪能量收集的二维摩擦电磁混合纳米发电机

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  随着能源危机的加剧和自然环境的恶化，清洁和可再生能源的开发和利用受到全世界的重点关注。地球拥有丰富的水资源，水波能量广泛分布在地球上，几乎不依赖于气候、温度或季节。因此，大规模的、高效的收获海浪能源一直是研究的热点，对取代不可再生的化石燃料具有重要意义。

        目前，基于不同的机制将波能转换成电能的方法主要是电磁、摩擦电和压电效应。基于电磁效应的传统水波能转换方法，虽然具有转换效率高、耐用性好等优点，但是它不太适合收集低频机械能。水波不仅包含高频机械能而且还包含低频机械能，并且水波的典型频率是低于2 Hz。近些年来，基于摩擦起电和静电感应原理的摩擦纳米发电机(TENG)已被证实是一种有效的、可行的低频机械能收获方法。作为有希望大规模的收获水波能量的潜在方法，具有制造容易、成本低的优点。因此，将摩擦纳米发电机(TENG)和电磁发电机(EMG)集成在一起是一种很好的方法，以有效地从高频和低频水波中获得更多能量。此外，海浪最显着的特征是其随机性，从多个方向收集能量可以充分利用波浪能。但是许多报道的水波能量采集器到目前为止只能沿单一方向收集能量，这导致实际应用中的能量浪费。

        最近，中北大学的薛晨阳教授和丑修建教授等人共同报道了一种用于收集水波能量的由摩擦纳米发电机 (TENG)和电磁发电机 (EMG)组成的盒状摩擦电磁混合纳米发电机。在TENG的情况下，由海浪形成铝膜涂覆的聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)圆柱体和硅树脂膜覆盖的交叉银(Ag)电极之间的接触和分离。在EMG的情况下，旋转的磁性球被放置在四个线圈上以产生磁通量变化，进而发电。实验结果表明在负载为100 MΩ时，TENG的瞬时最大输出功率为0.08 mW，在1 kΩ的负荷下，EMG的瞬时最大输出功率为14.9 mW。混合式纳米发电机可同时点亮60个LEDs灯。在将能量存储在电容器中之后，输出直流电(DC)信号可以为温度传感器提供连续的能量。更重要的是纳米发电机可以为无线声学传感系统供电。研究成果以题为“Two-dimensional triboelectric-electromagnetic hybrid nanogenerator for wave energy harvesting”发布在国际著名期刊Nano Energy上。

综述所述，展示了用于水波能量收集和自供电无线水声传感系统应用的二维摩擦电磁混合纳米发电机。该装置为封闭的盒状结构，尺寸为10×8.8×4.3 cm3，核心是TENG和EMG的集成。其中，EMG适用于收集高频机械能但不太适合低频，TENG适用于收集低频机械能，所以将TENG和EMG结合的该装置可以有效地从高频和低频水波中获得更多能量。此外，基于二维滚动结构的装置可以从X或Y方向同时收集水波能量，故该装置也可以很好地适应水波的随机性，进而充分利用波浪能。通过直线电机系统、波泵测量输出性能和舵机系统研究倾角的影响，发现混合式纳米发电机可以驱动60个LEDs并连续给电容器充电。同时，混合TENG和EMG纳米发电机也被证明可用作二维角度传感器。本文设计的新结构对于收集水波能量具有重要意义，且混合式纳米发电机在自供电无线声学传感系统中具有潜在的应用。

文献链接：Two-dimensional triboelectric-electromagnetic hybrid nanogenerator for wave energy harvesting（Nano Energy, 2019, DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.01.033）