研究背景
- 海洋中蕴含着丰富的可再生能源，如潮汐能，海流能和波浪能等。波浪能由于其高能量密度与易获得性，具有很大的利用价值。研究人员正积极开发波浪能收集技术，并期望其直接为分布式海洋设备（如海洋物联网（MIoT））提供电力。目前电磁发电机（EMG）是收集波浪能的主要手段。然而，大多数EMG具有复杂的结构，不利于与小规模传感器集成。此外，海浪的低频率和有时低振幅的特性不利于EMG高效输出。而摩擦纳米发电机（TENG）因其具有低频适应性好、结构简单、制造方便等优点，十分适用于高熵海洋波浪能量的收集。在深入研究TENG（高电压低电流）和EMG（低电压高电流）的输出特性以及各自偏好的工作条件基础上，提出将TENG和EMG集成制作摩擦电-电磁收集器的想法。
文章概述
大连海事大学轮机工程学院徐敏义教授团队提出了一种高度集成的摩擦电-电磁复合波浪能收集器（TEWEH），可高效收集宽频波能，实现自供电海洋浮标。永磁体-聚四氟乙烯（PM-PTFE）球的创新设计确保了构成电磁发电机（EMG）的磁性材料与构成摩擦纳米发电机（TENG）的介电材料之间高度集成。在摆动（1Hz和±30°）条件下，TENG组件的输出可达230.25V、1.34μA，而电磁发电机的平均输出为2.3V、10.43mA。值得注意的是，即使在频率极低（0.2Hz）的情况下，TEWEH仍能保持出色的输出。TEWEH可以迅速将330μF的电容器充电到一定电压，然后点亮导航标志灯并为温度传感器供能。更为重要的是，TEWEH经过密封处理后可用作自供电海洋浮标，将实际的海洋环境温度传送到陆地。
文章以 “Highly Integrated Triboelectric-Electromagnetic Wave Energy Harvester toward Self-Powered Marine Buoy”为题发表在国际著名期刊《Advanced Energy Materials》上。大连海事大学博士研究生朱传庆、硕士研究生刘畅与北京大学博士研究生吴梦维为论文的共同第一作者，大连海事大学徐敏义教授与王昊副教授为论文通讯作者。
图文导读
图1. TEWEH的应用场景和结构图。a) TEWEH应用于波浪能收集和自供电MIoT的场景图。b) TEWEH集成在浮标内作为电源的示意图。c) TEWEH结构的内部视图。
图2. TEWEH 的工作原理和输出特性。a) TENG 组件的工作原理示意图 b) 利用 COMSOL 模拟开路条件下电极上的电位差 c) EMG 组件的工作原理示意图 d) 利用 COMSOL 模拟 PM-PTFE 球周围的磁场分布 e) 放置不同类型球时的输出电压 f) TENG 组件和 EMG 组件的实时电流输出。
图3. TEWEH在水平激励下的输出性能。a) 水平激励实验系统的示意图。b) 1 Hz频率、不同振幅下EMG的|Vavg|和|Iavg|。c) 100 mm振幅、不同频率下EMG的|Vavg|和|Iavg|。d) 1 Hz频率、不同振幅下TENG的Qsc， e) Isc和 f) Voc。g) 100 mm振幅、不同频率下TENG的Qsc， h) Isc和 i) Voc。
图4. TEWEH在摆动激励下的输出性能。a) 摆动实验系统的示意图。b) 1 Hz频率、不同角度下EMG的|Vavg|和|Iavg|。c) ±30°摆动角度、不同频率下EMG的|Vavg|和|Iavg|。d) 1 Hz频率、不同角度下TENG的Qsc， e) Isc和 f) Voc。g) ±30°摆动角度、不同频率下TENG的Qsc， h) Isc和 i) Voc。
图5. TEWEH的输出性能。a) 分别使用TENG、EMG和TEWEH给3.3μF电容器充电对比。b) TEWEH给不同电容器充电效果。c) 不同摆动频率下TEWEH给330μF电容器充电效果。d）TENG的功率密度和 e) EMG的功率密度。f) 本研究与其他混合波浪能收集研究输出功率密度的比较。
图6. TEWEH的实际应用。a) TEWEH为各种海洋设备供电的电路示意图。b) TEWEH用于点亮导航标志灯。c) TEWEH用于为温度计供电。d) TEWEH作为自供电海洋浮标部署在大连湾附近，并将测量结果传输给接收器。
总结
文章提出了一种高度集成的管式封装摩擦电-电磁复合波浪能收集器（TEWEH），成功用于自供电海洋浮标进行了研究和展示。通过创新的PM-PTFE球结构设计，使得TENG与EMG能够高度集成，两种类型的发电装置可以同时运行。这一设计不仅扩大了能量收集的频率范围，而且提高了能量收集效率。
TEWEH可以利用TENG的高电压（230.25V）和EMG的高电流（10.46mA）更好更快地给电容器充电。TENG的瞬时功率密度达到了13.77W/m3，而EMG达到了148.24 W/m3，储能后能轻松为海洋航行灯和一些传感设备直接供能。在实际海洋环境中，TEWEH成功作为自供能海洋浮标的供电单元，通过蓝牙模块将实时海洋温度信息无线传输至陆上接收器。
这项工作提出的TENG与EMG组成材料的新型高度集成方式，为后续波浪能收集器结构设计提供了新的思路，此外功率密度达到了一个新的基准，有望实现为更多的海洋传感器设备供电，进而实现海洋自供能物联网。在未来经过进一步地电路管理与海洋布置优化后，波浪能收集器有望直接将海洋数据传输至卫星，极大降低海洋数据获取难度，推动数字化海洋发展，助力建设智慧海洋。
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