氣球遇到海水能夠全天候發電?浙大學者研製多倍頻高性能摩擦納米...

2021-01-19 浙江大學

近年來，隨著各國實現工業化，能源消耗不斷增加，可再生能源的開發和利用變得越來越重要。值得注意的是，海洋能是一種取之不盡、用之不竭、無汙染的巨大可再生能源。因此，海洋能源的開發利用，尤其是波浪能的研究可以說是海洋能源利用領域中最為重要的一項工作，今年來成為了研究者們關注的焦點。然而，傳統的基於電磁發電技術的波浪能發電裝置在低頻低振幅的海浪作用情況下，很難有效的發揮發電效果。值得一提的是，摩擦電納米發電機（TENG）作為新一代的能源器件，能夠有效地將低頻和低振幅的機械能轉化為電能，為從海浪能中獲取能量提供了一種新的實用途徑。

近日，浙江大學海洋學院海洋電子與智能系統研究所納米能源研究團隊，利用生活中常見的氣球製作成了可用於收集波浪能的多倍頻高性能摩擦納米發電機。這項研究發表在國際著名期刊《先進能源材料》（Advanced Energy Materials）上，論文題目為「Multiple-frequency high-output triboelectric nanogenerator based on awater balloon for all-weather water wave energy harvesting」。

論文第一作者為浙江大學海洋學院2019級博士研究生夏克泉，通訊作者為浙江大學海洋學院徐志偉教授。

做個水氣球發電

氣球是我們日常生活中常見的一種兒童玩具，向氣球中注入水後，它會具有很好的彈性和可拉伸特性。同時，構成氣球的PVC材料是一種具有優良摩擦電特性的介電材料。

夏克泉突然奇想，是不是能夠將這個特殊結構與近年來專注的納米能源研究結合起來，利用生活中習以為常的材料發電。

於是研究團隊製備了一種基於水氣球（WB-TENG）的多倍頻高性能摩擦納米發電機用于波浪能收集。所提出的WB-TENG由一個方形盒和一個水氣球兩部分構成。方形盒內壁上覆蓋一層導電銅箔，再在導電銅箔表面粘貼一層尼龍薄膜。將導線放到氣球中，然後向氣球中注入氯化鈉水溶液，最後通過打結的方式進行密封。將製作好的水氣球放到方形盒子中，這樣WB-TENG發電器件就製作完成了。

圖1. (a) WB-TENG浮在水面的效果展示圖；(b, c) WB-TENG的結構展開圖和內部材料分布情況；(d) WB-TENG的實物圖；(e-f) 水氣球的製作過程圖；(h, i) 氣球薄膜和尼龍薄膜的電鏡照片。


為什麼會發電？

根據摩擦起電原理，當氣球和尼龍薄膜相互碰撞摩擦時，兩種薄膜的表面會帶上等量的異種電荷。當兩種薄膜做接觸-分離運動時，根據靜電感應原理，氣球中的氯化鈉溶液和附著在尼龍薄膜上的導電銅箔就會感應出等量異種電荷，這時，在連接兩個電極的電路中就會產生交變電流，於是就可以發電了。

圖2. WB-TENG的發電原理


水氣球的妙用

以往的研究報導了多種用於收集水波能的摩擦納米發電機結構，包括球形結構，圓筒形結構，塔形結構和蝴蝶形結構等，取得了很好的發電效果。但是，工作模式單一，能量轉化效率低，這限制了TENG的在海洋環境下收集波浪能的實際應用。因此，在這項工作中，WB-TENG能夠實現三種工作模式（完全接觸-分離模式；局部接觸-分離模式；往復接觸-分離模式），可以收集任意方向的機械能，這極大的推動了TENG在海洋能收集方面的應用。

此外，由於水氣球具有很好的彈性，當WB-TENG受到低頻率的外力作用時，水氣球會在盒子內部不斷和內壁碰撞，進而產生多倍頻的輸出電流。根據實驗測試，在相同的條件下，WB-TENG在一個工作周期內的總轉移電荷是傳統的基於雙板結構的TENG的28倍，表明這種基於水氣球的結構設計會大大提升能量轉化效率。除此之外，由於水氣球在不增加任何支撐結構的情況下也能達到自支撐的效果，使得WB-TENG在輕微振動下仍能產生電學輸出。

根據水氣球可拉伸性，在氣球與尼龍薄膜的不斷碰撞摩擦過程中，氣球表面很不斷的積累電荷直到達到飽和，這會帶來超高的輸出性能。根據實驗測試，在1.5赫茲的工作頻率下，WB-TENG短路電流的瞬時峰值可以達到147微安，開路電壓的瞬時峰值可以達到1221伏。同時，WB-TENG在外接負載為20兆歐時達到最大輸出功率，其瞬時峰值為13.52毫瓦。

值得一提的是，WB-TENG除了作為發電器件，還可以作為傳感器件反應波浪的振動情況，對於海洋能收集和海洋環境下分布式傳感網絡的構建有著積極意義。

圖3. 三種工作模式示意圖及其電學輸出特徵：(a) 完全接觸-分離模式；(b) 局部接觸-分離模式；(c) 往復接觸-分離模式。

圖4. (a)集成了能源管理電路的WB-TENG示意圖；(b)未來用於海洋波浪能收集的大型WB-TENG陣列的想像圖；(c)WB-TENG對不同電容的充電效果；(d, e)基於能源管理電路的不同工作狀態；(f)在波浪作用下，30個LED燈珠可以被WB-TENG點亮；(g)142個被排成「ZJU OCEAN 2020」的LED燈珠被點亮的照片；(h)不同浪高情況下的電壓輸出。

徐志偉教授建設的海洋電子與智能系統研究所以信息科學與海洋信息物理為學科交叉的基礎，重點關注應用於海洋的信息電子、智慧機器人以及新能源材料/器件。本研究由中央高校基金資助和國家自然科學基金資助（61674128、61731019）。

（文 者也/圖片由受訪團隊提供）

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