伴隨人類社會的發(fā)展，能源始終是關(guān)鍵和重要的話題，它是人類生產(chǎn)、生活中不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來，由化石燃料燃燒所導(dǎo)致的氣候惡化和能源危機(jī)引起了世界范圍內(nèi)的關(guān)注。因此，當(dāng)前急需尋找其他可再生的清潔能源。海洋波浪能儲量豐富，且?guī)缀醪灰蕾囉诃h(huán)境條件，是一種有望大規(guī)模應(yīng)用的可再生能源。然而由于缺乏有效且經(jīng)濟(jì)的能量采集技術(shù)，這種能源很少被開發(fā)使用。目前，大多數(shù)波浪能發(fā)電裝置都是基于電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)，具有笨重、體積龐大、價格昂貴、易腐蝕、在海浪頻率下效率低的缺點。所以，需要尋找一種小型、輕量化、經(jīng)濟(jì)的、一體化水波能量收集方法。
摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）提供了一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能的新途徑，具有收集海洋表面波浪能的巨大潛能。由于與電磁發(fā)電機(jī)在物理機(jī)制上的根本差異，摩擦納米發(fā)電機(jī)有望成為收集低頻機(jī)械能特別是“藍(lán)色能源”的“殺手”應(yīng)用。2014年王中林院士提出“藍(lán)色能源”的思想，將成千上萬的發(fā)電單元連接成TENG網(wǎng)絡(luò)用來收集大范圍的波浪能。之后，內(nèi)嵌金屬球的格子狀結(jié)構(gòu)和球殼結(jié)構(gòu)單元組成的發(fā)電網(wǎng)絡(luò)被研制出來，以及通過彈簧和多層結(jié)構(gòu)的引入，球形發(fā)電單元的性能得到了很大的改進(jìn)。但是，由于大的阻抗和不平衡的負(fù)載匹配，發(fā)電機(jī)網(wǎng)絡(luò)很難直接驅(qū)動電子設(shè)備或者給儲存設(shè)備充電。為了打破這一瓶頸，研制有效的能量管理技術(shù)是非常有必要的，這有利于實現(xiàn)更有效的水波能利用。
近日，在中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士和張弛研究員的指導(dǎo)下，博士生梁茜、蔣濤副研究員和博士生劉國旭等人組成的研究團(tuán)隊探究了面向海洋能收集的摩擦納米發(fā)電機(jī)網(wǎng)絡(luò)的能量管理技術(shù)與方法。基于耦合彈簧及多層結(jié)構(gòu)的球形發(fā)電單元，構(gòu)建了海洋能收集的納米發(fā)電機(jī)網(wǎng)絡(luò)，并與能量管理模塊有效集成。通過對發(fā)電機(jī)網(wǎng)絡(luò)的能量管理，在負(fù)載電阻上得到平穩(wěn)持續(xù)的電壓輸出，實現(xiàn)給電容充電時儲存能量提高96倍，并能持續(xù)驅(qū)動溫度計測量水溫，且每10秒鐘無線發(fā)射信號一次。
(a) 球形摩擦納米發(fā)電機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖； (b) 海洋能摩擦納米發(fā)電網(wǎng)絡(luò)能量管理的原理示意圖；(c) 給10mF電容器直接充電與能量管理后充電的電壓曲線比較; (d) 能量管理后的發(fā)電機(jī)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動無線發(fā)射器時的電壓曲線。
這項研究擴(kuò)展了能量管理技術(shù)在海洋能收集領(lǐng)域的應(yīng)用，有利于推動藍(lán)色能源技術(shù)的發(fā)展。相關(guān)成果以“Triboelectric Nanogenerator Networks Integrated with Power Management Module for Water Wave Energy Harvesting”為題發(fā)表在近期的Adv. Funct. Mater上。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201807241
