Advanced Energy Materials:波浪能摩擦发电机的几何设计参考

研究背景:

利用摩擦纳米发电机收集随机和低频的能量已经成为能源收集领域的研究热点,尤其是在收集分布广泛的水波能方面。尽管之前的研究专注于水波能收集的各种结构设计及优化,以及海洋能源的应用前景,但很少有人对漂浮TENG在水波情况下的运动学进行研究。研究人员很少去思考如何设置漂浮物的参数,以及怎样设计漂浮TENG以提高波浪能吸收系数。更为甚者,很多时候漂浮TENG往往还需要附加若干轻质泡沫以提高吃水线以及保持平衡,以此来提高对水波的响应。所有的这些都可能会导致水波和漂浮物之间的不同步,进而浪费了转瞬即逝的蓝色能源。在这种情况下,有关漂浮摩擦纳米发电机波物相互作用的研究就显得尤为重要。

文章概述:

为了解决以上问题,广西大学纳米能源研究中心研究人员通过将惯性测试单元(IMU)植入到不同漂浮物外壳的方法,来探究波浪和厘米级漂浮物之间的动力学关系。参考63篇漂浮TENG文章的统计结果,通过改变各种核心参数,即壳体形状、壳体尺寸、重量、重心高度、波浪强度/频率、造波方式,精心地设计了一系列实验,来获取嵌入IMU的、重量及重心严格控制的漂浮物的加速度数据。对获得的数据进行动力学分析,包括去除偏置、滤波、取样采点、分布统计、曲线拟合、提出核心数据,然后得到能反映该漂浮物运动的频率分布曲线图和加速度变化趋势图等。通过这些图像可直观的得到波物相互作用的若干规律,包括同一个漂浮物在不同波浪条件下的输出变化,以及同一种波浪对不同外壳、重量、重心漂浮物的影响。除此之外,还得到了一些来自广西北部湾真实情景测试的数据。这些对漂浮TENG在不同外部环境和自身参数下的定量测试结果,可有效辅助今后波浪能TENG的设计和优化,从而提高输出效率,为其步入标准化、实用化指明了道路。

1. 不同漂浮TENG的外壳统计。对63篇有关漂浮状TENG的文章进行了分类,并进一步对其具体参数进行了分类,在此基础上进行的实验具有较强的适用性和针对性。

图2. 外部水波条件对漂浮TENG运动的影响。a1) a2)不同波浪强度、b1) b2)不同波浪频率和c1) c2)不同造浪方式下的频率分布曲线和平均加速度变化趋势图。加速度变化趋势图包含加速度平均值和标准差,加速度平均值可以代表数据的总体趋势,并从侧面反映漂浮物的受力,而标准偏差可以反映数据的分散程度。

3. 内部结构参数对漂浮TENG运动的影响。不同外形漂浮物的a1)频率分布曲线和a2)加速度变化趋势图。a3)相同水波情况下立方体形和球形漂浮物的COMSOL模拟。b1) b2)不同尺寸、c1) c2)不同重量和d1) d2)不同重心漂浮物的频率分布曲线和加速度变化趋势。

结论:

本文中,我们设计并进行了基于外部波浪条件和漂浮物自身参数这两大部分的实验探究。通过将惯性测试单元嵌入到不同几何外形的漂浮摩擦纳米发电机中,以此来获得能反映该漂浮物运动情况的频率分布曲线和能反映受力变化以及离散程度的加速度核心数据。通过这些数据我们可以得出:

同体积下球形外壳的波浪吸收性能小于方体型外壳;

Z轴响应频率只与波浪类型及其固有频率有关;

波浪频率高不一定有利于漂浮物动力响应;

球形漂浮物较大或有利于波浪的吸收;

中部吃水线或不利于波浪能吸收;

重心往上或有利于波浪能吸收;

实际海浪频谱较宽;等等

这些挖掘出的规律可指引后续波浪能TENG的设计和实验室条件改良,有望启发后续研究进一步挖掘和探索。

论文信息:

Interaction between Water Wave and Geometrical Structures of Floating Triboelectric Nanogenerators

Shuxing Xu(徐淑星), Guanlin Liu*(刘官林), Jinbiao Wang(王金彪), Honggui Wen(文宏桂), Sheng Cao(曹盛), Huilu Yao(姚辉璐), Lingyu Wan*(万玲玉), Zhong Lin Wang*(王中林)

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202103408

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202103408