耦合TENG網路的三種連接方式示意圖. (b)TENG網路收集波浪能, 驅動水體溫度測量. (c)三種TENG網路的整流短路電流輸出. (d)三種TENG網路對於11.2微法電容的充電性能.
海洋約佔地球總面積的71%, 蘊藏著極為豐富的能源. 海洋能主要以波浪能, 潮汐能, 海流能, 鹽差能, 溫差能等五種形式存在. 其中, 僅波浪能一項, 世界範圍內的總儲量據估計即可達20億千瓦以上. 作為潛力巨大的清潔無汙染能源, 波浪能的大規模開發利用或對世界能源消費格局產生重大影響. 現有的基於電磁式發電機的各種波浪能收集試驗裝置雖已取得很大發展, 但也面臨結構複雜, 可靠性低, 發電成本較高等問題, 經過數十年研究, 仍缺乏可大規模商業開發的技術. 中國科學院院士, 中科院北京納米能源與系統研究所所長王中林提出的摩擦納米發電機 (Triboelectric Nanogenerator, TENG) 技術, 為開發利用波浪能提供了新的技術路徑. 摩擦納米發電機基於麥克斯韋位移電流原理, 將摩擦起電和靜電感應結合起來, 能直接將無規則的低頻機械運動高效轉化為電能, 不需要複雜的機構, 具有材料選擇多樣, 成本低, 器件結構靈活等諸多優點. 利用TENG網路收集大面積海域的波浪能量, 將不規則的低頻波浪運動高效轉化為電能, 將可能成為一種非常有前景的波浪能收集利用方案.
近日, 王中林領導的研究團隊首次成功實現耦合摩擦納米發電機網路對波浪能的收集, 通過網格式TENG網路中各單元的耦合作用, 大幅度提升TENG在真實波浪環境中的工作效能. 研究組首先基於紫外改性及摻混微顆粒的矽膠材料構建高性能TENG單元, 實現電荷量的大幅提升, 對微小機械擾動的靈敏響應及良好的耐久性. 在低頻正弦激勵下, 單個TENG單元的峰值功率可達1.28毫瓦, 平均功率為0.3毫瓦. 在單元優化的基礎上, 構建16個球形TENG單元形成的4×4陣列, 整流的單次輸出電荷量達2.14微庫, 在低頻激勵下可輸出5.93毫瓦的峰值功率和2.04毫瓦的平均功率. 通過真實波浪環境實驗, 闡明網路連接對於提升TENG單元效能的重要作用, 提出三種單元連接策略並構建相應的網路, 其中柔性連接結構顯示出更好的效果, 相比於未連接的分散單元狀態, 柔性連接網路的電荷量輸出可為未連接的10倍以上. 最後, 採用耦合TENG網路在水波驅動下為溫度計供電, 成功採集水體的溫度, 證實其應用于海洋監測儀器供電等領域的潛力. 研究展示了摩擦納米發電機網路可作為波浪能收集的一種新穎有效的技術方案, 並提出了高效的網路連接策略, 將可用於向更大規模的單元系統擴展, 形成TENG模組和大型網路, 為大範圍收集海洋波浪能提供了可行的路徑.
相關成果以Coupled Triboelectric Nanogenerator Networks for Efficient Water Wave Energy Harvesting為題, 發表在ACS Nano上.
