收集全天候海浪能量的扁球状摩擦纳米发电机

Full Paper

Oblate Spheroidal Triboelectric Nanogenerator for AllWeather Blue Energy Harvesting

Guanlin Liu, Hengyu Guo, Sixing Xu, Chenguo Hu, Zhong Lin Wang

DOI: 10.1002/aenm.201900801

Triboelectric nanogenerators (TENGs) provide one of the most promising techniques for large‐scale blue energy harvesting. However, lack of reasonable designs has largely hindered TENG from harvesting energy from both rough and tranquil seas. In this paper, an oblate spheroidal TENG assembled by two novel TENG parts is elaborately designed for both situations. The TENG in the upper part is based on spring steel plates without other substrate materials, which makes it possible to output considerable power in rough seas and occupy small space. The TENG in the lower part consists of two copper‐coated polymer films and a rolling ball which can capture small wave energy from tranquil seas. The working mechanism and output performance are systematically studied. A maximum open‐circuit voltage of 281 V and a short‐circuit current of 76 µA can be achieved by one upper part, enough to charge a commercial capacitor for potential applications. More important, the proposed oblate spheroidal shell not only guarantees high sensitivity of the TENG in the lower part, but also qualifies the TENG with unique self‐stabilization and low consumables for the next generation of TENGs with new structural design toward all‐weather blue energy harvesting.

在众多形式的能源中,海洋蓝色能源因其涵盖面积广总量大而成为最具潜力的能源之一。然而,一直以来缺乏经济高效的采集技术制约着蓝色能源的开采和发展。新兴的摩擦纳米发电机以收集周边环境机械能见长,其基于静电感应和摩擦电效应,有别于传统电磁发电机,具有重量轻、低成本,十分适合收集低频运动能量,尤其是海水表面低频机械能。过去几年间,向蓝色能源进军作为摩擦纳米发电机重要的发展方向之一,吸纳着越来越多的科研机构和人员参与其中。然而,要想让摩擦纳米发电机阵列拥有产业化所具有的高效和稳定,仍然有重重难关需要克服。

首先,几乎所有为蓝色能源设计的摩擦纳米发电机只着眼于较大的海浪情形,而忽视了长时间大占比的温和海况,要想充分利用海洋能量,使得后端设备运行更持续稳定,高灵敏的发电机单元必不可少。再者,此前发电机外壳形状一直局限于球形、长方体和柱状体,其里面的运动物体极易陷入运动死角,从而失去最佳输出状态。连球形外壳的发电机也因缺少合适的对称电极图案,而难逃宿命。额外的固定限位装置虽然能解决这一难题,但对未来庞大阵列中的每个发电机加上限位装置显得不切实际,制造铺设维护成本也将相应攀升,不利于大规模产业化。由此,为进一步推动摩擦纳米发电机在蓝色能源方向的发展,对发电机高灵敏度和自稳定性的需求迫在眉睫。

最近,美国佐治亚理工学院王中林院士课题组与重庆大学物理学院胡陈果教授课题组合作,首次提出的扁球外壳摩擦纳米发电机,其扁球外壳内包含着两个原创发电机单元,针对两种海况设计,是一种收集全天候海洋蓝色能源的全新策略。如图左侧,上层发电机由三个基于弹簧钢片的拱形单元和其上的铁饼组成,预先烧制成拱形的钢片起到弹簧和电极的双重作用,恰好支撑起铁饼重量,免除了弹簧等构件的使用,具有体积小低成本的优势。下层发电机由两辐射状的膜材料和铁球组成,球的来回滚动使得两镀铜膜接触分离而输出电能。

为凸显扁球壳相对于球壳的优势,研究人员通过数值计算了小球在扁球壳和同腰围的球壳在倾斜不同角度下偏离中心的距离,以及其所能覆盖的底部面积,如图右侧所示,其中蓝色线条和色块表示球壳的数据,用其他颜色表示不同高度扁球壳的数据。扁球壳和球壳均偏转相同角度下,而对扁球壳而言,小球滚动到最低点处偏离中心的弧长更长,运动更显著,响应也就跟灵敏。在相同倾斜角度下,小球到达最低点绕轴旋转一周所围绕的弧面面积也越大,其就相当于强度相同方向不同的海浪对外壳冲击下,小球运动所能覆盖的面积。可见,在小海浪的冲击下,扁球壳中的物体运动更明显,也就能让更多的摩擦层接触分离,所制作的发电机输出性能更高,从而更能有效利用微小海浪能量。而对于大海浪而言,扁球发电机依靠的是专门设计的上层发电机,由此明确分工,各有所长。

在传统收集海洋蓝能的摩擦纳米发电机中,外壳设计常常采用球壳、长方体外壳和圆柱状球壳。然而对于球壳而言,运动物体处于任何位置都是其势能最低状态,而无法自动回复到最佳起始位置,也就容易陷入低输出或无输出状态。人们通常通过弹性绳索等对球壳进行限位,这样不仅会使得器件对海浪的响应能力变低,而且会增加生产和维护成本,在未来庞大阵列中每个发电机都添加限位装置将变得不切实际。虽然柱状或圆柱状外壳有平面存在,可使用连续重复电极图案,但其内部的运动物体更倾向于在边缘处绕着中心轴做圆周运动,因为运动物体置于中心的状态是其不稳定状态,犹如很难使圆盘中的滚球回到中心一般。如此柱状外壳的摩擦纳米发电机也容易陷入输出低状态从而难以有效收集海浪机械能。而长方体状外壳中运动物体也容易陷入某个角落,从而整体陷入倾斜状态而难以回复,而且其不具有轴对称外形,不能有效收集各个方向运动的海浪机械能。

对扁球壳而言,发生偏转后,其重心在其弧面的帮助下形成一个回复力矩,驱使扁球壳回到起始水平状态,从而拥有其他形状外壳无可比拟的自回复自稳定性,有着节省固定材料的优势。由此,扁球外壳的采用不仅赋予了下层发电机高响应的特点,还带来了独一无二的自稳定性,从而减少固定材料的使用。研究人员探究了两层发电机工作原理和输出性能,最大可获得开路电压281 V,短路电流76 µA和半周期转移电荷量270 nC。此外,还简单在水上测试了输出性能,基本与实验数据吻合,并实现了为电容器充电。所提出的扁球状外壳和双层发电机的策略为未来摩擦纳米发电机收集全天候蓝色能源提供了新结构和新思路,有望成为未来蓝能发电机外壳设计中的重要选择。

相关工作以“Oblate Spheroidal Triboelectric Nanogenerator for All-Weather Blue Energy Harvesting”为题,发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201900801)上。博士生刘官林、郭恒宇博士和博士生徐思行为共同第一作者,中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、重庆大学物理学院胡陈果教授为论文的共同通讯作者。

论文链接:https://doi.org/10.1002/aenm.201900801