研究背景
- 智慧海洋的发展需要大量的分布式海洋传感器节点。这些海洋无线传感器节点主要由电池供电。但电池的寿命限制了智能海洋的发展，并对环境造成了威胁。自供电系统能够收集系统周围的能量来供给电能，通过自供电系统为海洋传感器节点供电是将会是一种可靠的途径。近日，大连海事大学徐敏义教授团队在Wiley旗下期刊Advanced Materials Technologies发表题目为“Highly Adaptive Triboelectric-Electromagnetic Hybrid Nanogenerator for Scavenging Flow Energy and Self-Powered Marine Wireless Sensing”的学术论文。该工作通过收集海洋中的流动能量，能够实现在海洋环境下的自驱动无线传感器节点。
文章概述
这项工作提出了一种用于收集海洋流动能量摩擦-电磁复合型的纳米发电机（Triboelectric-electromagnetic hybrid nanogenerator），简称为TEHN。通过选择垂直轴的风轮模式，TEHN能够更方便的布置在海洋环境中。TEHN在风速为2.5 m/s以及水流流速0.12 m/s的外部条件下开始工作，这使得TEHN能够收集海洋环境中的低品位能量。通过对TEHN的电输出特性进行系统分析，TEHN的峰值功率可以达到449.74 mW，可为50 mAh-3.7 V锂电池充电。此外，由于摩擦纳米发电机电压频率与旋转速度之间的线性关系，TEHN还可以作为自供电传感器检测流速并通过信号处理模块在当地处理数据。此外，在风的激励下，TEHN成功地实现了自供电的无线传感网络，并能通过外部定时器自动完成周期性无线信号的传输。通过集成不同的海洋装备，TEHN能够在近岸、近海和水下工作。高性能和高适应性显示了其在海洋环境的应用潜力。
大连海事大学王昊副教授，徐敏义教授为论文共同通讯作者。大连海事大学轮机工程学院硕士研究生王雅巍、钱子安，博士研究生赵聪为论文共同第一作者。
图文导读
1：TEHN的结构及原理图。（a）TENN在海洋环境中的监测传感能力。（b）TEHN的三维爆炸图。EMG（c, d）和TENG（e, f）的示意图及工作原理图。
图2：TEHN的电输出特性。磁铁数量与（a）EMG开路电压和（b）EMG短路电流的关系。（c）EMG开路电压随着磁铁和线圈之间距离变化而变化。不同材料下TENG的（d）开路电压和（e）短路电流。（f）TENG开路电压与定子和转子间距离的关系。（g）EMG的开路电压、短路电流和（h）峰值功率。不同转速下TENG的（i）开路电压、短路电流和（j）峰值功率。（k）复合式发电机并联为电容充电的电路简图。（l）为10 μF电容充电曲线的对比。
图3：TEHN作为流速传感器的性能。（a）TENG的原始数据（插图显示TENG 在0.1s内的信号波形）和（b）经过快速傅里叶变换的结果。（c）信号频率和转速之间的关系。电信号和（d）风速以及（e）水流流速之间的关系。（f）自驱动流速传感器的图解。（i）自驱动流速监测系统电路图（ii）经过处理后的TENG电压信号。实时（g）风速和（h）流速监测的演示。
图4：自供能系统的设计。（a）TENG电源管理系统（PMS）的电路图。（b）通过全波整流桥和PMS为4700微法电容充电的充电曲线。（c）TEHN为（50mAh-3.7V）锂电池充电的性能。（d）自驱动系统的工作电流消耗，（e）高电平信号和（f）睡眠状态电流消耗。
图5：TEHN的应用场景。（a）从TEHN到实际海洋应用的流程。TEHN在（b）近岸、（c）离岸和（d）水下工作的图片。
结论
- 综上所述，一种摩擦电-电磁混合纳米发电机被提出用于收集海洋中的流动能量以及实现自供电海洋传感。工作系统的研究了EMG和TENG的电输出性能。TENG的最大电压可以达到550 V，EMG的最大电流为37 mA，TEHN的峰值功率可以达到449.74 mW。此外，TEHN能够作为一个自供电的传感器来检测流速。通过风力涡轮机和循环水隧道，用于TEHN测试流速，并与商业流速传感器进行比较。一个信号处理模块被设计用来在当地处理数据，并且信号处理所消耗的电能都由混合纳米发电机提供。此外，还设计了一个电源管理系统（PMS）来提高TENG的充电能力。一个4700 μF电容器的充电电压可以同时从2.4 V提高到24.6 V。锂电池通过TEHN能够从2.7 V充电到3.89 V，可以满足整个自驱动系统的供电需求。此外，通过引入外部定时器，电路可以实现自动唤醒和睡眠。定时器的连续运行使得传感器信号可以定期上传到物联网。最后，TEHN在三个场景中成功地进行了演示：近岸、海上和水下。高度自适应的TEHN可以为自供电的海洋无线监测提供一个可能的途径。
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