王中林院士Nano Energy综述：摩擦纳米发电机网络构筑蓝色能源梦

【引言】

海洋覆盖了地球70%以上的表面，其中蕴藏着极为丰富的资源和能源。海洋能作为重要的可再生清洁能源，世界范围内的总量高达750亿kW以上。因而，海洋能源的大规模商业化利用必将带来世界能源格局、政治平衡、经济和社会发展的巨大变化。海洋能源主要以潮汐能、波浪能、海流能、温差能、盐差能等形式存在，其中，海洋波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能，具有能量密度高，分布面广等优点。据估计，全球冲击海岸线的波浪功率达到20-30亿kW，并且在开放海洋区总的波功率将大一个数量级，因此波浪能将是海洋能源发展的重点方向。然而，由于缺乏经济的能量捕获技术，当前波浪能很少被开发利用。

目前海洋能的公司正在测试一些用来收集海洋潮汐能和波浪能的装置。Marine Current Turbines公司建造了由一对16米长的螺旋桨和固定在海峡底部的中心塔组成的装置，其中螺旋桨与中心塔相连，OpenHydro公司设计了一种海底安装的涡轮机，以中心马达作为唯一的运动组件，这些是收集潮汐能的典型例子。在海洋波浪能收集方面，澳大利亚的Carnegie Wave Energy公司建立了一种摆动式浮标，利用水波运动驱动海底的泵通过一个闭合的环来传递流体，并延伸到大约3 km的岸边带动发电机产生电力。英国的Pelamis Wave Power公司制造了连接式的浮动浮标，在水波驱动下，利用连接处的液压泵来传递流体至岸上发电机处发电。现今波浪能的利用形式是将大面积的波浪能加以吸收，并集中转换成机械能，再带动电磁发电机运转发电。传统的电磁发电机由重的磁铁，线圈和涡轮构成，不能自然地浮在水体表面，需要依靠一个漂浮的平台来支撑或者固定在海底，造价昂贵且技术上非常困难；线圈磁铁易被海水腐蚀，长久性受到极大挑战；在海洋水波频率和运动方式下涡轮的效率低下。这些弊端使得当前海洋能采集装置的能量效率不是很理想，导致利用海洋能发电这一重要研究领域一直进展缓慢，仍处于样机开发与试验运行的初级阶段，并且，世界上还没有商用的大范围波能收集的装置。

2006年，王中林院士所在团队发明了通过压电效应收集环境中机械能的纳米发电机，开辟了能源转化和应用的新领域。在此基础上，该研究团队于2012年又成功研制出基于摩擦起电和静电感应的摩擦纳米发电机（TENG）。此后，各种类型的摩擦纳米发电机接连被研制出来，不断革新着人们对能量收集的传统概念。经过结构改进与优化，当前摩擦纳米发电机单个器件的最大输出功率已达到500 W/m²，瞬时能量转化效率已达70%，已满足很多小型电子设备的供电需求。该发电技术在机械能量收集方面具有普适性，可以有效地收集各种来源的能量，如人体运动、机械振动、旋转、风、潮汐、水波运动等。TENG收集的能量不仅仅是新能源，更是新时代的能源(the energy for the new era)，物联网时代的能源。摩擦纳米发电机提供了波能向电能转换的一种新途径，具有从海洋中收集大范围“蓝色能源”的巨大潜能。

图1. 当前利用电磁发电机收集海洋潮汐能和波浪能的典型设计

【综述简介】

近日，来自中国科学院北京纳米能源与系统研究所、佐治亚理工学院的王中林院士等人在Nano Energy上发表了题目为“Toward the Blue Energy Dream by Triboelectric Nanogenerator Networks”的综述，介绍了利用TENG技术收集蓝色能源的最近进展。对电磁发电机（EMG）和TENG进行了系统的比较，提出TENG的理论源头是麦克斯韦的位移电流，与EMG有着本质的区别，并论证了TENG在收集低频水波能上的杀手应用。阐述了液固接触起电式、封闭式发电机和发电机网络在水运动能量收集上的最新进展，并对TENG 技术实现蓝色能源梦所面临的挑战进行了 展望。

综述总览图

【图文导读】

1.电磁发电机与摩擦纳米发电机的比较

1.1 工作原理

收集海洋蓝色能源的传统技术是由磁铁和线圈组成的电磁发电机。通常，水运动能量是一种具有随机波动方向、低波动频率（<2Hz）的无规能量，而EMG不适于收集这种无规的能量。摩擦纳米发电机利用摩擦起电和静电感应产生电流。与EMG相比，TENG的优势在于质轻、浮于水面、低频下高能量转化效率、对无规和随机的机械运动更好的适应性，所以它是收集水波能的理想技术。EMG的电压、电流都与频率成正比，所以功率跟频率平方成正比，而TENG的电压与频率无关，电流和功率都与频率成正比。这就导致存在一个阈值频率（通常为5 Hz）使得相同尺寸的TENG输出要高于EMG。另外通常二极管具有约0.5V的开启电压使得存在另一阈值频率，在这个频率之上EMG才能产生有用的输出功率，造成大的功率损失，而TENG的高电压使得输出功率几乎没有损失。所以在低于5 Hz的频率下，TENG是唯一的选择。

图2. 电磁发电机和摩擦纳米发电机的工作原理和输出功率对频率的依赖性比较

1.2 基本物理机理

EMG和TENG的理论根基可以追溯到基本的麦克斯韦方程组。1831年法拉第发明的电磁发电机利用变化的磁场产生电流，由洛伦兹力驱动电子在导体中流动，其输出电流与磁场随时间的变化直接相关。2006年，王中林发明了纳米发电机，2012年发明了摩擦纳米发电机，利用表面极化电荷引起的极化场的改变来发电，这是麦克斯韦位移电流的重要部分。所以，EMG和TENG在基本物理学上有本质区别，但统一于麦克斯韦方程组。1861年麦克斯韦首次假定了位移电流的存在，位移电流的第一项统一了电场和磁场，同时预言了电磁波的存在，奠定了无线通信的物理基础。对于各向同性的介质，位移电流公式会两项合并。然而在具有表面极化电荷存在的介质中，如压电和摩擦材料，位移电流中由表面静电荷引起的极化密度的贡献不能被忽略。因而，位移电流被写成图3中的形式，其中第一项是变化的电场所产生的感应电流，第二项是表面静电荷产生的极化场而引起的电流，它是纳米发电机的理论来源，由此可引导出位移电流在能源与传感方面的重大应用。

图3. 电磁发电机和纳米发电机理论基础的比较，以及PENG和TENG的工作机理。EMG利用变化的磁场产生电流，而纳米发电机利用表面极化电荷引起的极化场的变化来发电。纳米发电机代表一种全新的不同的发电机理，无论是否使用到纳米材料，都叫纳米发电机。

从1886到20世纪30年代，由位移电流第一项推导出了电磁波理论，电磁感应现象催生出了天线广播、电视电报、雷达微波、无线通信和空间技术。在20世纪60年代，电磁统一产生光的理论，又给激光的发明和光子学的发展提供了重要的物理理论基础。此外，飞机、船舶和宇宙飞船的控制与导航，电力和微电子工业的技术进步都离不开麦克斯韦。而从2006年至今，位移电流第二分量基于媒介极化的特点催生出了压电纳米发电机和摩擦纳米发电机的兴起，将极大地推动新能源技术和自供电传感技术的发展，这里指的是新时代的能源，物联网和传感器网络的时代，使纳米发电机能源系统在物联网、传感器网络、蓝色能源甚至大数据等影响未来人类发展的重大方面得到广泛的应用。经过150余年的时空印记，追本溯源，纳米发电机是麦克斯韦位移电流继电磁波理论和技术后在能源与传感方面的另一重大应用。在可以预见的未来，这棵汲取物理学第一大方程组营养的大树，将愈发茁壮成长，引领技术革新，深刻改变人类社会。

图4. 从麦克斯韦位移电流的两个分量导出的主要基础科学，技术和工业影响。左侧是衍生的电磁波理论影响了上世纪通讯技术的发展；右侧是位移电流衍生的新技术用于能源和传感器，极大可能会影响未来世界的发展。

基于电磁感应的EMG通过洛伦兹力驱动的电阻性自由电子传导的机理产生电流，而基于接触起电和静电感应的TENG采用依赖于时间的静电感应和束缚静电荷的轻微运动引起的电容性位移电流的机理。EMG很重、造价昂贵、但耐久性高，而TENG质轻、成本低，但耐久性不够。

图5. EMG和TENG从机理和优缺点上的比较。

1.3 输出性能

Zi等人系统地比较了接触分离和自由滑动式TENG和EMG在低频机械能收集时的性能。研究发现，TENG的功率密度正比于频率，而EMG的功率与频率的平方成正比。所以存在一个阈值频率使得TENG的输出性能要高于EMG。此外，由于LED的开启电压，需要达到一定频率EMG才能点亮LED灯，导致低频下TENG比EMG的电流更高，论证了TENG在收集蓝色能源上的杀手应用。

图6. EMG和TENG的输出性能比较。

Zhang等人从理论方程和实验论证上比较了EMG和TENG的输出特性，发现旋转的EMG输出电压与旋转的TENG的输出电流具有类似的表达，表明TENG和EMG在理论上具有可比拟和对称的关系。TENG比EMG具有更高的匹配阻抗，得出结论，TENG可以被认为是高内阻的电流源，而EMG可以看成低内阻的电压源。随后，他们将两种发电机共轴设计了一种复合式发电机，阐述了串联和并联的协同工作模式。该工作建立了与传统EMG同等重要的TENG技术的基础。

图7. EMG和TENG的理论比较、电阻输出特性比较和复合操作。

2.基于摩擦纳米发电机的蓝色能源收集

2.1 液固接触起电式TENG

由于摩擦纳米发电机新颖的工作原理，水本身可以作为一种摩擦材料，当与聚合物介电材料表面接触摩擦时，可以使表面带电。随着水滴或波浪的运动，在电极中感应出电流。基于这一原理制成一种固-液接触型的摩擦纳米发电机，发电机具有6个条带形电极，表面覆盖有FEP薄膜，在薄膜表面刻蚀有纳米结构，产生超疏水效应，使水与聚合物表面更易分离。该发电机可收集水滴的能量，还可收集波浪起伏的动能，产生数微安的脉冲或直流电流，可点亮一组LED灯。

图8. 固-液接触型摩擦纳米发电机。

2.2 全封闭式TENG

2.2.1 波纹电极结构

波纹式的弹性结构能在受到外力时向侧向延伸，并在外力撤消时弹起回复原始状态，能够在实现表面接触分离的同时产生良好的摩擦起电效应。采用这种波纹式弹性结构的摩擦纳米发电机可以收集冲击、挤压及机械振动的能量。基于此设计了十二面体封闭结构的波浪能收集器件，其中每个面上集成有一组多层的波纹式发电机，空腔中另置有一个重球。当器件置于水面上时，随着水波的运动，小球冲击发电机表面，由发电机将冲击能量转化为电能。发电机采用的全封装结构，可以避免水汽对于固-固接触型摩擦纳米发电机性能的影响。

图9 基于波纹式弹性结构的摩擦纳米发电机用于波浪能收集。

2.2.2 滚动球形结构

滚动球形结构摩擦纳米发电机基于自由摩擦层工作模式。由尼龙球和背面有电极的Kapton膜摩擦产生静电荷。当球随着波浪在两电极间来回滚动时，会在外电路中产生交流电。在1.43Hz的波浪频率下，单个发电机可以产生24纳库的电荷和1.2微安的短路电流。这种结构具有高的电荷转移效率，非常适合于从不规则的波浪中收集能量。产生的电能可以存储于超级电容中，用于给小型的电子设备供电，从而实现自驱动监测系统等应用。

图10 封装球形结构的摩擦纳米发电机。

2.2.3 鸭状结构

实验中制作了一种鸭状全封闭的摩擦纳米发电机，这种发电机可以对随机和低频的水波能进行收集。纳米发电机在水波作用下通过翻滚和俯仰操纵机构实现水波能向电能的转化。将三组纳米发电机进行连接后，器件的瞬时输出功率密度可达1.366W m^-2。另外，还对摩擦纳米发电机的动力学特性、机械效率、器件稳定性等进行了研究，并探讨了其作为商用无线温度传感器节点供能装置的可行性。

图11 封装鸭状结构的摩擦纳米发电机。

2.2.4 气压驱动膜结构

为进一步提高摩擦纳米发电机的输出和功率密度，采用了一种气压薄膜式发电机集成阵列结构。器件中构造了上下两个气腔，两气腔的柔性公共壁面上布置有接触分离模式的发电机阵列，当气腔气压交替变化时，发电机阵列会产生重复的接触-分离运动，从而在外电路中产生电流。将气腔和发电机复合结构设计成通过弹簧悬挂于外壳内的振子，即可在波浪中产生振动，使上下气腔交替冲击外壳，产生气腔压力变化。器件通过气压传导和分配能量，可以同步驱动大量TENG并行工作。采用这种结构，在2.9Hz的共振频率下，单次整流输出电荷达到15微库，电流达到187微安，峰值功率可达13.23 W m^-3。

图12 基于气压薄膜结构的集成摩擦纳米发电机阵列。

2.3 TENG网络

基本的TENG单元收集的能量有限，仅可以为小型的电子设备供电。要收集大规模的波浪能，需要将TENG单元连接成网络。这一想法最早由王中林教授于2014年提出，网络采用上述球形的TENG单元，使用金属材料和轻质的聚合物，由于单元内部分填充空气，可以浮在水面附近，通过介电球在球壳内的滚动将水波能转化为电能，大量的单元可以产生巨大的电能。据初步估计，在1平方公里的海面可产生1.15兆瓦的电能。由于结构简单、成本低，提供了一种创新的大规模从海洋中收集蓝色能源的技术。

图13 摩擦纳米发电机网络用于大规模收集波浪能。

3.总结与展望

本综述系统比较了EMG和TENG两种机械能收集技术，总结了TENG技术在蓝色能源收集上的最新进展。目前已有多种原型器件被设计出来并得到优化。我们论证了TENG 作为电磁感应发现180年后出现的技术，所提供的能量不仅是与风能和太阳能并列的新能源，更重要的是新时代的能源，物联网和传感器网络的时代。TENG的发明并不是要取代EMG，而是要互补地用来解决未来微型网络和宏观网络的能源需求。宏观网络仍由成熟的EMG技术驱动，而微网和小型电子器件由TENG提供分布式能源。基于EMG的发电技术需要高的工作频率，这是上世纪EMG作为唯一可用的机械能收集技术的结果，现在，TENG的发明使得技术方法的选择有所不同，物联网时代的能源将由TENG来供给。

图14 蓝色能源器件的结构及性能演化。

摩擦纳米发电机的网络有望提供一种实现蓝色能源梦的可行方法。由成千上万的球形TENG单元通过缆绳连成网络漂浮在水表面或位于水下一定深度，形成三维的网络结构。如果每秒由水波激励2-3次，每个单元产生1-10mW的电能，对于像山东省面积大小的这样一片海域，在10米深的水中布满TENG网络，发出的电量可满足全世界的能源需求。另外，在小球网络的上方，可以布置太阳能电池板和风力发电机，实现复合的能量收集，增强输出的功率。这些收集的电能可用于海上漂浮平台，也可以向陆地输送并入电网。蓝色能源梦将提供一种新的能量途径，改善人类生活，我们期望这个梦想能够早日实现。

图15 采用TENG三维网络实现海洋波浪能的收集。风力发电机和太阳能电池板用来补充电力和最大化空间利用率。

当前，蓝色能量还处于实验室早期研发阶段，要想实现长时间可靠运行，还有许多关键技术问题有待解决，在水动力性能理论研究、模型试验、纳米发电结构设计等方面要进行大量的工作，并积累实践经验。如研究提高纳米发电材料的耐久性与抗腐蚀性；研究布线结构和传输抵御风暴及恶劣环境。同时要考虑规划蓝色能源发电网位置和大小，尽量减少对航运、海洋生物与生态影响。海洋蓝色能源发电是一项系统工程，设立一个致力于蓝色能源的研究机构将大大加快发展这种清洁、可持续的能源技术的进程，在政府、政策、私人投资及主要能源公司等各方的共同支持下，蓝色能源梦终将成为现实。

文献链接：Toward the blue energy dream by triboelectric nanogenerator networks（Nano Energy，2017, 39, 9-23 ）（http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285517303890）

感谢王中林老师和蒋涛博士、许亮博士对本文的支持！

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