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- 大连海事大学轮机工程学院、大连市海洋微纳能源与自驱动系统重点实验室徐敏义教授课题组与新加坡国立大学智能传感和微机电系统实验室李正国教授团队合作在《Nano Energy》上发表了题目为“An Underwater Flag-like Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Ocean Current Energy under Extremely Low Velocity Condition”的研究论文。该论文在循环水洞的环境下，将一个圆柱钝体置于UF-TENG的上游，来流经过圆柱钝体后形成卡门涡街，持续的脱落涡作用在UF-TENG上使其振动得到了增强。UF-TENG的振动方式为自激振动和受迫振动相耦合，基于此振动模型和TENG工作原理，本文首先从理论和实验两方面依次探讨了有无钝体对UF-TENG摆动的影响、钝体与UF-TENG的距离对临界流速的影响、不同质量比的UF-TENG对临界流速的影响；接着以上述研究为基础，进一步对实验器件的结构参数进行了优化，提升了UF-TENG的发电性能。优化后的UF-TENG不仅启动流速低（0.0133m/s），而且发电量可以随着流速的升高而不段提升。同时，在0.175m/s的流速下持续实验三天，器件依然能保持出较好的输出性能。该工作报道的流体/钝体耦合结构为深入理解水下流体能量转换机理和设计新的其他结构的TENG提供一些思路。
研究背景
- 海洋能以波浪能、海流能、热梯度能等多种不同形式存在。与沿海潮汐能不同的是，海流是稳定的定向流。海流具有规律性强、能量密度可预测且相对稳定、不占用陆地面积资源的特点。全世界海流的功率估计超过5000 GW，是一种未来潜力巨大的可再生能源。通常我们称水深100米上的海流为表层海流，水深100米下的海流称为深层海流，前者主要由风驱动。相对于小于0.1m/s速度的深流，表层流的速度要高得多，高达约3m/s。以往收集水下海流能的工作中，不管是电磁发电机，还是压电发电机在低流速环境下工作相对困难。与旗子在风中摆动类似，柔性旗型结构也可以在水下受到水流的激励而摆动。因此，以流体力学为理论基础，结合流固耦合作用原理，我们构建出了一种基于流致振动现象的适应低流速工况的水下海流能量采集装置。
图文导读
图1：UF-TENG结构及应用。（a）UF-TENG和自供能潜标的应用；（b）UF-TENG的实物图；（c）UF-TENG的结构示意图。
图2：UF-TENG的实验装置。(a)实验装置示意图；(b UF-TENG的实物图；(c, d) 0.228 m/s水流速度下，有无钝体时UF-TENG的运动状态对比。
图3：UF-TENG 的振动特性。(a) 有无圆柱钝体对UF-TENG振动特性对比；(b)长宽比对临界流速的影响；(c,d) 流速为 0.223 m/s和0.461 m/s时，质量比对开路电压的影响；(e) UF-TENG和圆柱体之间距离对临界流速的影响；(g) 本工作与其他工作的启动流速对比。
结论
本论文为了克服水中较大的粘性阻力，进一步提高水下旗形摩擦纳米发电机的输出性能，采用添加圆柱形钝体的方式极大地增强了UF-TENG的振动。置于钝体后的UF-TENG能够在很低的流速下持续工作收集海流能量。通过调整其弯曲刚度（≤），UF-TENG的临界速度可以降低至0.0133 m/s。同时，通过在循环水洞中进行实验，质量比为1590的UF-TENG表现出较好的输出性能，有力的说明了水环境和空气环境中柔性旗形结构摆动机理的差异。在0.461 m/s的流速下，6个UF-TENG单元并联可以实现52.3 μW的峰值输出功率。与压电和电磁发电机相比，UF-TENG的临界速度更低，这在收集低速海流方面具有显着优势。
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