Advanced Energy Materials:双线摆辅助多层结构摩擦纳米发电机用于海洋能收集

随着能源需求的不断增加和全球环境的严重恶化,无污染和可再生的新能源技术成为实现人类可持续发展的重要保证。海洋具有储量大、可再生、预测性好、分布广泛等优点。更重要的是,大规模的海洋电站建设不会占用我们有限的土地资源,并可以减少海浪对海岸的侵蚀,此外还可以在原位为海洋资源开发和海洋监测提供充足的电能。

摩擦纳米发电机(TENG)作为一种海浪能收集装置,其商业化应用高度依赖于体积功率密度,而体积功率密度与整个装置空间利用率和TENG的摩擦电荷密度成正比。基于弹簧结构TENG可利用弹簧产生高频输机械运动来实现海浪能的有效收集;三维电极结构的TENG可通过提高空间利用率来提高整个装置的功率密度;软硅球和多层结构的TENG可通过增加有效接触面积来提高整个装置的功率密度。基于上述结构优化,用于海浪能收集的TENG体积功率密度从1.84 W m-3提高到55.6 W m-3。然而,TENG的功率密度仍需进一步提高以推动其在蓝色能源中的大规模应用。此外,为实现TENG在真实海洋环境中进行大规模蓝色能量收集,极端海洋环境、水屏蔽效应和海洋能原位利用等问题亟需解决。

图1集成BM-TENG模块船的结构设计和相应的工作原理。

图2集成BM-TENG模块的海浪能收集船及其在未来多种应用前景。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究团队设计了一种新型的海浪能收集装置:以船为平台集成大量双线摆辅助多层结构摩擦电纳米发电机(BM-TENG)模块。楔形摆锥的双线摆(BP)和多层结构,提高了TENG的空间利用率;软接触和薄介电材料实现了高电荷密度。结合这些结构优点,BM-TENG的最大功率密度高达200 W m-3,相较于其他TENG收集海浪能的工作,其输出性能提高了1-2个数量级。此外,双线摆的阻尼运动可以提高BM-TENG对低频海浪的能量收集效率。该工作传新性的将TENG集成在船上,消除了海洋环境的不利影响,为TENG收集海浪能提出了一种理想的平台。(1)船体平台简化了TENG的封装和集成,还解决了TENG在真实海洋环境中所面临的高湿和高腐蚀等问题;(2)钢制船体内部静电屏蔽环境可以消除水屏蔽效应对TENG输出性能的严重影响;(3)船集成大量BM-TENG模块可以与传感器和电化学等装置模块相结合,通过原位电能利用来实现自驱动海洋传感和海洋资源开发;(4)在发生恶略海况的时候,船在海上良好的机动性能使整个海浪能收集装置及时回港避风,进而解决了当前海浪能收集装置所面临的巨大风险成本的问题。所以,这项研究对TENG实现海浪能收集的商业化应用具有里程碑式的重要意义。

研究者相信,此项研究将会为TENG收集海浪能的研究打开一扇窗户,并为TENG收集海浪能的原位开发和利用提供新的思路。该研究为实现大规模蓝色能源收集奠定了坚实的基础。相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI:10.1002/aenm.202003616)上。