密歇根州立大学曹长勇Nano Energy：新颖的多层级结构摩擦纳米发电机（HS-TENG）实现更高性能海洋波浪能收集

研究背景：

随着全球经济的快速发展和人口的持续增加，生产和生活所需的能源不断增加，面对化石燃料燃烧导致环境污染和气候变化，绿色可再生能源的开发利用受到越来越多的重视。海洋波浪能储量丰富，分布广泛，并且不受时间、天气和季节等环境因素的影响，是一种具有巨大发展前景的可再生清洁能源。然而，当前大多数收集海洋能的装置主要依赖基于电磁发电机，其具有结构复杂、造价高、笨重、容易受海水腐蚀等缺点，更重要的是电磁发电不适合低频率（<3Hz）的波浪能收集。

摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator, TENG）提供了另一种将机械能转换为电能的新方法。与传统的电磁发电机相比，摩擦纳米发电机具有质量轻、造价低、制备简单的优点，并且在低频下具有更高的能量转换效率。在过去几年中，研究人员已经设计了各式各样的TENG用于海洋能量收集。其中，球壳结构由于其结构简单，易于制造、质量轻、易于漂浮和低阻力，被广泛用于开发海水波浪能量收集的纳米发电机结构。然而，这些TENGs通常采用一个大球壳包覆一个小球，导致较低的空间利用率和能量收集效率。

成果简介：

近日，美国密歇根州立大学曹长勇教授团队设计了一款新颖的多层结构摩擦纳米发电机(Hierarchically Structured Triboelectric nanogenerator, HS-TENG) 成功实现高性能的波浪能量收集和更高的装置空间利用率。HS-TENG的设计受到一种玩具——俄罗斯套娃的启发，是由一套大小不一的多层亚克力球壳嵌套组装而成，层间有可自由滚动的PTFE小球。该团队研究了球壳内的PTFE球的尺寸和数量对于纳米发电机输出性能的影响。然后，利用得到最佳设计参数进一步研究了HS-TENG在不同运动频率、运动幅度以及不同倾角工况下收集能量的效率。实验结果表明，这种新颖的HS-TENG达到了更高的空间利用率和能量转换效率，其最大输出功率是原来单球发电机（SB-TENG）的6.5倍。最后，该研究还实现了小尺度规模的网状HS-TENG阵列（以3×3为例）来实现更大规模的波浪能收集实验，该阵列可以轻松点亮数十盏LED灯，并且为电子温度计供电。这项研究为进一步提高TENG性能提供了新的思路和方法，对未来摩擦纳米发电机在蓝色能源收集领域的发展奠定了基础。

以上相关成果发表在国际著名能源期刊Nano Energy上。论文第一作者为美国密歇根州立大学博士后庞尧堃博士，通讯作者为密歇根州立大学曹长勇教授。美国佐治亚理工学院王中林院士和密歇根州立大学博士生Shoue Chen 和Yihang Chu为论文共同作者。

论文链接：

Y. Pang, S. Chen, Y. Chu, Z. L. Wang,C. Cao*.Matryoshka-inspired Hierarchically Structured Triboelectric Nanogenerators for Wave Energy Harvesting, Nano Energy, online, 2019. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104131

图文导读：

图1.HS-TENG的设计结构和工作原理。（a）俄罗斯套娃玩具；（b）不同尺寸大小的发电机；（c）HS-TENG的结构示意图；（d）HS-TENG的外壳以及内部的PTFE小球；（e）HS-TENG的工作原理；（f）TENG在开路状态下的电势分布仿真结果。

图2.滚动小球直径以及数量对发电机性能的影响。（a）不同尺寸的PTFE小球；（b, c）基于不同尺寸PTFE小球的摩擦纳米发电机的开路电压和短路电流；（d-h）在不同PTFE小球数量下，摩擦纳米发电机的输出性能（球壳直径分别为50mm、60mm、70mm、80mm和100mm）;（i）不同直径球壳中的PTFE小球的最佳匹配数量。

图3 HS-TENG在不同的波浪振幅、方向和频率下的输出性能。（a）不同振幅测试示意图；（b, c）HS-TENG在不同振幅下的开路电压和转移电荷量；（d）不同方向测试示意图；（e, f）HS-TENG在不同方向下的开路电压和转移电荷量；（g）不同频率测试示意图；（h, i）HS-TENG在不同频率下的开路电压和转移电荷量。

图4. HS-TENG与SB-TENG性能对比。（a-c）HS-TENG和SB-TENG在不同位移幅度下的开路电压，短路电流和转移电荷量的对比；（d-f）HS-TENG和SB-TENG在不同频率下的开路电压，短路电流和转移电荷量的对比；（g）HS-TENG和SB-TENG对一个2.2 μF电容充电对比；（h）HS-TENG和SB-TENG在不同电阻下的开路电压和短路电流；（i）HS-TENG和SB-TENG的输出功率对比。

图5. HS-TENG收集水波能量及应用。基于HS-TENG的自驱动系统的（a）示意图和（b）电路图；（c）不同频率下HS-TENG充电曲线；（d）不同电容的充电曲线；（e）利用HS-TENG为一个10μF的电容充电并驱动电子表。（f）HS-TENG稳定性测试。

图6 HS-TENG网络用于收集波浪能量。（a）漂浮在水面上的HS-TENG网络；（b）HS-TENG网络整流电路；（c）不同HS-TENG单元在水中的电流输出；（d）3×3HS-TENG阵列；（e）HS-TENG网络为一个100μF的电容充电并驱动温度计；（f）在海洋中大面积的HS-TENG网络用于蓝色能源收集。

本文由美国密歇根州立大学曹长勇教授团队供稿。

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