大洋能摩擦微米发电互联网的能量处理研讨获进展

近日,在北京纳米能源所王中林和张弛的指导下,博士生梁茜、副研究员蒋涛和博士生刘国旭等人组成的研究团队探究了面向海洋能收集的摩擦纳米发电机网络的能量管理技术与方法。基于耦合弹簧及多层结构的球形发电单元,构建了海洋能收集的纳米发电机网络,并与能量管理模块有效集成。通过对发电机网络的能量管理,在负载电阻上得到平稳持续的电压输出,实现给电容充电时储存能量提高96倍,并能持续驱动温度计测量水温,且每10秒钟无线发射信号一次。这项研究扩展了能量管理技术在海洋能收集领域的应用,有利于推动蓝色能源技术的发展。相关成果以Triboelectric
Nanogenerator Networks Integrated with Power Management Module for Water
Wave Energy Harvesting
为题发表在近期的《先进功能材料》(Adv. Funct.
Mater
)上。

能源在人类生活中扮演着非常重要的角色,现阶段能源的消耗主要依赖于传统化石能源,这是一种有限的、非可再生的能源。随着化石能源的不断开采和枯竭,迫切需要寻找一些新型的能源形式。海洋波浪能具有储量丰富、受环境因素影响较小等优点,是潜在的能够大规模应用的能源之一。但是,近几十年世界各国对波浪能收集的探索大都基于传统的电磁发电机,而电磁发电机因其自身的工作原理所限,难以有效收集这种低频、随机的能源。

近日,王中林领导的研究团队首次成功实现耦合摩擦纳米发电机网络对波浪能的收集,通过网格式TENG网络中各单元的耦合作用,大幅度提升TENG在真实波浪环境中的工作效能。研究组首先基于紫外改性及掺混微颗粒的硅胶材料构建高性能TENG单元,实现电荷量的大幅提升、对微小机械扰动的灵敏响应及良好的耐久性。在低频正弦激励下,单个TENG单元的峰值功率可达1.28毫瓦,平均功率为0.3毫瓦。在单元优化的基础上,构建16个球形TENG单元形成的4×4阵列,整流的单次输出电荷量达2.14微库,在低频激励下可输出5.93毫瓦的峰值功率和2.04毫瓦的平均功率。通过真实波浪环境实验,阐明网络连接对于提升TENG单元效能的重要作用,提出三种单元连接策略并构建相应的网络,其中柔性连接结构显示出更好的效果,相比于未连接的分散单元状态,柔性连接网络的电荷量输出可为未连接的10倍以上。最后,采用耦合TENG网络在水波驱动下为温度计供电,成功采集水体的温度,证实其应用于海洋监测仪器供电等领域的潜力。研究展示了摩擦纳米发电机网络可作为波浪能收集的一种新颖有效的技术方案,并提出了高效的网络连接策略,将可用于向更大规模的单元系统扩展,形成TENG模块和大型网络,为大范围收集海洋波浪能提供了可行的路径。

伴随人类社会的发展,能源始终是关键和重要的话题,它是人类生产、生活中不可或缺的物质基础。近年来,由化石燃料燃烧所导致的气候恶化和能源危机引起了世界范围内的关注。因此,当前急需寻找其他可再生的清洁能源。海洋波浪能储量丰富,且几乎不依赖于环境条件,是一种有望大规模应用的可再生能源。然而由于缺乏有效且经济的能量采集技术,这种能源很少被开发使用。目前,大多数波浪能发电装置都是基于电磁感应发电机,具有笨重、体积庞大、价格昂贵、易腐蚀、在海浪频率下效率低的缺点。所以,需要寻找一种小型、轻量化、经济的、一体化水波能量收集方法。

近日,在王中林指导下,硕士生肖天笑、梁茜和副研究员蒋涛等人组成的研究团队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,在每个球壳空间内集成多个基本发电单元形成多层结构。发电机在输出电流和功率上均有很大的提高,单球的电流输出较以往球形发电机提高两个数量级以上,单球最大输出功率达到7.96
mW。随后制备了球形发电机阵列,通过阵列化和能量存储,构建水温测量的自驱动系统,展示了纳米发电机在蓝色能源收集中的重要应用前景。相关成果以Spherical
Triboelectric Nanogenerators Based on Spring‐Assisted Multilayered
Structure for Efficient Water Wave Energy Harvesting

为题发表在近期的《先进功能材料》(Adv. Funct. Mater)上。

海洋约占地球总面积的71%,蕴藏着极为丰富的能源。海洋能主要以波浪能、潮汐能、海流能、盐差能、温差能等五种形式存在。其中,仅波浪能一项,世界范围内的总储量据估计即可达20亿千瓦以上。作为潜力巨大的清洁无污染能源,波浪能的大规模开发利用或对世界能源消费格局产生重大影响。现有的基于电磁式发电机的各种波浪能收集试验装置虽已取得很大发展,但也面临结构复杂、可靠性低、发电成本较高等问题,经过数十年研究,仍缺乏可大规模商业开发的技术。中国科学院院士、中科院北京纳米能源与系统研究所所长王中林提出的摩擦纳米发电机(Triboelectric
Nanogenerator,
TENG)技术,为开发利用波浪能提供了新的技术路径。摩擦纳米发电机基于麦克斯韦位移电流原理,将摩擦起电和静电感应结合起来,能直接将无规则的低频机械运动高效转化为电能,不需要复杂的机构,具有材料选择多样、成本低、器件结构灵活等诸多优点。利用TENG网络收集大面积海域的波浪能量,将不规则的低频波浪运动高效转化为电能,将可能成为一种非常有前景的波浪能收集利用方案。