气球打结器 气球遇到海水能发电？浙大学者研制多倍频高性能摩擦纳米发电机

近年来，随着各国工业化和能源消耗的增加，可再生能源的开发和利用变得越来越重要。海洋能是一种取之不尽、无污染的可再生能源。因此，海洋能源的开发利用，尤其是波浪能的研究，可以说是海洋能源利用领域最重要的工作，成为今年研究者关注的焦点。然而，传统的基于电磁发电技术的波浪发电装置在低频低幅波的作用下，难以有效发挥发电效果。

值得一提的是，摩擦电纳米发电机(TENG)作为新一代能源装置，可以有效地将低频低幅的机械能转化为电能，为从海浪能中获取能量提供了一种新的实用途径。近日，浙江大学海洋学院海洋电子与智能系统研究所纳米能源研究团队研制出一种可用于收集波浪能的多频高性能摩擦纳米发电机。这项研究发表在国际知名期刊《高级能源材料》上。本文第一作者是浙江大学海洋学院2019级博士生夏克泉，通讯作者是浙江大学海洋学院许智伟教授。

做一个水球来发电

气球是我们日常生活中常见的儿童玩具。气球注水后，会有很好的弹性和拉伸性。同时，构成气球的聚氯乙烯材料是一种具有优异摩擦电性能的介电材料。夏克泉突然想知道，他能否将这种特殊的结构与近年来对纳米能源的重点研究结合起来，并利用生活中使用的材料来发电。

▲(a)WB-Teng漂浮在水面上的效果显示；(b、c)WB-Teng的结构展开图和内部物质分布；(四)WB-Teng实物图；(e-f)制作水球的工艺流程图；(h，I)气球膜和尼龙膜的电子显微镜照片。

为此，研究小组制备了一种基于水球(WB-TENG)的多频高性能摩擦纳米发电机，用于波浪能收集。提议的WB-TENG由一个方形盒子和一个水球组成。方盒内壁覆盖一层导电铜箔，然后在导电铜箔表面贴一层尼龙膜。将导线放入气球中，然后将氯化钠水溶液注入气球中，最后打结密封。将产出的水球放入方盒中，即可完成WB-TENG发电装置。

根据摩擦起电原理，当气球和尼龙膜相互碰撞和摩擦时，两层膜的表面将携带等量的不同电荷夏克泉认为，当两层膜处于接触分离运动时，根据静电感应原理，气球中的氯化钠溶液和附着在尼龙膜上的导电铜箔会感应出等量的不同电荷。此时，连接两个电极的电路中会产生交流电，从而可以发电。

水球的妙用

“以前的研究已经报道了多种收集水波能量的摩擦纳米发电机结构，包括球形结构、圆柱形结构、塔式结构和蝶形结构，并取得了良好的发电效果。”然而，夏克泉介绍，单一的工作模式和低能量转换效率限制了TENG在海洋环境中收集波浪能的实际应用。因此，在这项工作中，WB-TENG可以实现三种工作模式(完全接触-分离模式；局部接触分离模式；往复接触-分离模式)可以收集任意方向的机械能，极大地推动了TENG在海洋能量收集方面的应用。

▲WB-TENG的发电原理

另外，由于水球弹性好，当WB-TENG受到低频外力作用时，水球会不断与箱体内部内壁碰撞，产生多频输出电流。根据实验测试，在相同的条件下，WB-TENG在一个工作周期内的总转移电荷是基于传统双板结构的TENG的28倍，这表明这种基于水球的结构设计将大大提高能量转换效率。此外，由于水球可以在不增加任何支撑结构的情况下实现自支撑效果，所以WB-TENG在轻微振动的情况下仍然可以产生电输出。

▲(a)集成能量管理电路的WB-TENG原理图；(b)未来用于收集海浪能量的大型WB-TENG阵列的设想；(c)c)WB-TENG对不同电容器的充电效果；(d，e)基于能量管理电路的不同工作状态；(f)在波浪的作用下，WB-TENG可以点亮30颗LED珠；(g)排列在“ZJU海洋2020”中的142颗发光二极管珠子被点亮的照片；(h)不同波高下的电压输出。

根据水球可拉伸性，在水球与尼龙膜不断碰撞摩擦的过程中，水球表面会积累电荷直至达到饱和，从而带来超高的输出性能。根据实验测试，在1.5 Hz的工作频率下，WB-TENG短路电流的瞬时峰值可达147微安，开路电压的瞬时峰值可达1221伏。同时，WB-TENG在外部负载为20欧姆时达到最大输出功率，其瞬时峰值为13.52mW..

值得一提的是，WB-TENG不仅可以作为发电装置，还可以作为反映波浪振动的传感装置，对海洋能量的收集和海洋环境分布式传感网络的构建具有积极的意义。

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