摩擦纳米发电机和电磁式发电机复合式波浪能采集系统学术资讯

来源：X一MOL资讯

海洋能是一种可再生的能源，依附于海水中以温度差、潮汐能、波浪能等形式存在，具有长期可再生量大、开发潜力等优势，受到世界沿海各国的青睐。在海洋能各种能量形式中，波浪能是日夜存在且不受天气季节等因素制约，同时也无需在海底或海床上建造大型发电设备，因此具备进一步研究和开采的潜力。目前，波浪能的主要采集方式是依靠电磁感应发电机，然而这种传统的方法由于自身体积庞大、采集能量方向单一，不适宜低频能量等缺陷，在应用上受到了很大的限制。相比之下，近年来新兴的基于摩擦纳米发电机的海洋能收集技术则具有更广阔的应用前景。

在团队的前期研究工作中，用于收集海洋能的摩擦纳米发电机通常设计成球壳状结构或转筒式独立层结构，但是无法达到很好的输出效果。实际上，为了使收集效率最大化，摩擦纳米发电机（TENG）应与传统的电磁式发电机（EMG）相结合，同时同步地进行能量采集。一方面，TENG和EMG的输出电信号可以共同存储在同一个储能单元中，从而使输出可以有效互补。另一方面，两者的输出可以分别连接至不同类型的负载，按照使其自身能量转换效率最大化的方式进行供能。

有鉴于此，该团队提出了一种基于优化拓扑结构的摩擦纳米发电机和电磁式发电机的复合式波浪能采集系统，通过将TENG和EMG结合在一起，可以实现两者输出特性的有效互补，从而使整个复合式发电系统在很宽的工作频率范围内均能提供优良的输出效果。同时，为了进一步提高TENG的输出性能，作者针对不同内部拓扑结构的器件进行了实验比较，筛选出输出性能更为优异的单元结构，并揭示了能源转换环节中能量的传递和损耗，提出了用于计算能量转换效率的新思路。此外，基于不同的实验平台，他们分别测量得到TENG和EMG的最佳工作频率范围，从而对整个复合系统的工作状态有了更为全面清晰的认识。

在实际演示中，复合式发电机在1 Hz的人造波浪频率下，TENG部分可以达到400 V的开路电压，15.3 μA的短路电流；而EMG在相同环境下的输出开路电压为1.7 V，短路电流为5.4 mA，复合式输出电能能够稳定且有效驱动LED阵列和温度计，为大规模的蓝色能源采集提供了有效和可持续的途径。

该论文作者为：Jiyu Wang, Lun Pan, Hengyu Guo, Binbin Zhang, Rongrong Zhang, Zhiyi Wu, Changsheng Wu, Lijun Yang, Ruijin Liao, Zhong Lin Wang

原文

Rational Structure Optimized Hybrid Nanogenerator for Highly Efficient Water Wave Energy Harvesting

Adv. Energy Mater., 2019, 9, 1802892, DOI: 10.1002/aenm.201802892

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