基于摩擦纳米发电机的海洋波浪能收集系统＊

郭昌鑫，万颖蕾，张彩银，陈公兴，周卫星

（广州理工学院电气与电子工程学院，广东 广州510540）

1 引言

目前，国内外对于海上清洁能源的收集主要有风能、潮汐能、温差能等，而国内海上风力发电装置仍主要采用底座式，即需要把发电机底部的支撑装置打入海底，但随着所处海域深度增加，风机底座受到潮流的动荷载也越大、受海水腐蚀的程度也会加深；而国外更趋向于浮式的海上风力发电发展（类似于海上石油钻井平台），优点是浮式装置不受海底深度的影响，其缺点是易受风浪的影响而大幅摇晃。对于波浪能，其具有能量密度高、分布面广等优点，是一种取之不尽的可再生清洁能源，传统上是利用波能转换器将波浪能转换成机械能，再由机械能装换成电能，对于无法从大陆直接获取电能的远洋群岛，大规模开发波浪能具有重要战略意义，而近年来发展起来的摩擦纳米发电机（TENG）在对低频和随机能量捕获方面表现出了巨大优势，逐渐成为国内外的研究热点[1]。

TENG 是基于自驱式纳米技术并以接触式/摩擦起电和静电感应为基础的微/纳机电动力系统[2]，该发电方式开辟了新道路，巧妙地利用上述被忽视的能量将其直接转换为电能，实现持续供给、绿色环保、轻量化、低成本等，这些特点使其可以成为新的能量补充方式来满足能量转换需求[3]，有助于大规模地生产和应用在波浪能发电上。

2 系统整体方案设计

本设计采用双球形和弹簧支持分离两种结构进行摩擦发电。双球形结构是指大球内部带有一小球，其中大球内壁贴有易得电子的摩擦材料，而小球外壁贴有易失电子的摩擦材料，在海浪作用下，内、外表面的摩擦材料相互摩擦，从而产生交流电；同理，弹簧支持分离结构由上、下贴有两种摩擦材料的塑料板和两板间均匀分布的四个弹簧组成，在海浪和弹簧的作用下，摩擦产生交流电，实验中将弹簧支持分离结构置于双球形结构上部，同时将光伏发电板置于弹簧支持分离结构的上层板上方，作为系统辅助发电模块。系统整体设计如图1 所示。

图1 系统整体设计框图

由于TENG 发出的是交流电，需先由整流装置将交流电转换成直流电，再经稳压装置稳压后即可储能。但受环境因素影响，系统发电量是时刻变化的，因此系统需要采功率传感器将TENG 发出的一部分电能转换成小信号，再经单片机计算发电量情况后由无线传输模块进行实时信号传输，储能系统就可根据具体情况做出储能或者释能的决策。

3 硬件结构

3.1 单片机STM32

本系统采用的主控器是STM32F1 系列单片机，其运算速度是51 单片机的几十倍，该控制器具有低功耗、数字信号处理等优点，用于实验中配合功率传感器和无线通信模块达到实时监控摩擦纳米发电机发电情况。

3.2 聚四氟乙烯Teflon

聚四氟乙烯作为当今世界上耐腐蚀性能最佳的材料，是四氟乙烯合成的易得电子含氟聚合物，本实验将其作为TENG 的“负”方向材料，制成薄膜并与易失去电子的尼龙薄膜摩擦发电。

3.3 聚酰胺（尼龙）-66

聚酰胺-66，俗称尼龙-66，是生活中常用塑料制品的原材料，具有较高熔点、耐油、耐磨损等优点，实验中将其薄膜形式作为TENG 的“正”方向材料，与Teflon 摩擦时将失去电子，从而产生电能。

3.4 无线串口通信模块NRF24L01

本系统采用NRF24L01无线收发器实时传输TENG发电系统的发电情况，该模块具有体积小、功耗低、工作温度范围广等优点，适用于在环境复杂的海面上传输信号。

4 测验发电电压

由于TENG 发电量与摩擦材料本身的厚度有关，因此，本实验采用长、宽均为8 cm 的摩擦材料进行摩擦发电测验，实验共分为8 组，各组摩擦材料厚度如表1 所示。先将2 种摩擦材料表面贴上双面导电的铜箔（转移薄膜表面电荷），再连接导线于铜箔上后把贴有铜箔的那一面贴在纸板上，起到固定薄膜作用，两根导线的另一端接到交流电测量仪上，最后将两种摩擦材料进行匀速开合式摩擦（垂直接触分离），间隔宽度为1.5 cm，开合次数为20 次，最后取其交流电压稳定值，测得数据如表1 所示。

表1 不同厚度摩擦材料发电电压对照表

在垂直接触分离模式下，接触面会产生电荷转移，电荷密度逐渐趋向饱和，这是由于在电荷建立的静电场下产生静电感应效应，从而驱动电路中的电子转移。两个电极之间的相对电压差（V）和和短路条件下的位移电流密度（JD）可以分别表示为[4-5]：

式（1）（2）中：z为极板间距的时间常数；t为时间；d1和d2分别为第一、第二纳米摩擦块厚度；ε1、ε2分别为第一、第二纳米摩擦块的介电常数；σ1（z，t）为转移电子的累计密度；σc为电介质表面电荷密度；ε0为真空中介电常数。

实验采用MATLAB 软件绘制不同厚度摩擦材料的TENG 发电电压曲线，如图2 所示，图中可清晰观察到，当厚度为0.14 mm 的尼龙薄膜和0.03 mm 的Teflon 薄膜摩擦时，摩擦材料表面的电荷量最高，即交流电压最大，因此系统中TENG 摩擦材料应采用最后一组的厚度数据。

图2 不同厚度摩擦材料发电电压曲线图

5 测验结果与分析

系统调试初期，采用20 颗LED 灯作为负载以验证TENG 的发电情况，但未对TENG 的两种摩擦起电材料进行试验，导致系统发电效率低，LED 灯亮度自然较低。

另外，受实验设备限制，本实验的两种摩擦材料无法采用纳米金颗粒制备的高性能聚合物薄膜，而采用在摩擦材料表面制作微结构以及掺杂纳米金颗粒制备高性能聚合物薄膜的方法，一定程度上改善了聚合物薄膜在接触摩擦时的性能，增大了表面电荷密度[6]。因此实际利用中两种摩擦材料也需要采用纳米金颗粒制备高性能聚合物薄膜的方法，才能提高表面电荷密度，发电效率也就提高了。

6 结束语

本实验介绍了基于摩擦纳米发电机的海洋波浪能收集系统及实现过程，TENG 海洋波浪能收集系统实物如图3 所示。测试表明，TENG 的反应速度较快、系统误差较小、功能稳定，具有一定的应用价值和市场前景，在今后还可对本系统进行完善改进，比如增加发电功率预测系统，将对中国经济的可持续发展有着重要价值和意义。

TENG 巧妙运用摩擦起电的原理，充分发挥摩擦的正效应作用，通过设计纳米结构的摩擦表面将机械能高效率地转化为电能，可作为电源驱动系统，可在日常生活中将人体的机械能转化为电能为各种移动电子产品充电，可用作传感器来探测微小的压强变化，使能源的利用更高效，推动节能环保新能源产业的持续发展，变革人类的经济结构和生产方式，给人类带来巨大的福利。

图3 TENG 海洋波浪能收集系统实物图