基于摩擦纳米发电机的波浪能发电技术研究进展

钟英豪，严 谨，梅纳尔多，魏 斌

（1.广东海洋大学机械与动力工程学院，广东 湛江 524088；2.广东海洋大学海洋工程学院，广东湛江 524088；3.广东海洋大学电子与信息工程学院，广东 湛江 524088）

为解决使用传统化石能源带来的环境污染、全球气候变暖、能源枯竭等一系列问题，开发绿色能源、扩大新型能源供给已成为世界共同目标[1]。海洋可再生能源由于自身绿色、低碳、清洁等特性成为人们利用发展的新对象，充分利用海洋可再生能源不仅能解决环境污染等问题，也可为深远海发展、增强国防力量和海洋强国建设提供强有力的支撑[2]。众多海洋可再生能源中，波浪能由于其储量丰富、能量密度高、环境影响小、高品位及广泛分布等特点[3]，成为海洋可再生能源研究和发展的焦点。传统波浪能发电技术由于维护成本高、转换效率低和转换过程繁杂等缺点使其应用范围受限[4-5]。而基于摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanog enerator，TENG）的新型波浪能发电技术因成本低廉、结构简单和易制造等优点受到重点关注。本文介绍了基于TENG 的新型波浪能发电技术基本原理、工作模式，以及当今TENG 在波浪能发电领域研究现状，最后总结了该技术目前存在问题与挑战，并根据当前一些实例提出未来研究趋势。

1 摩擦纳米发电机基本原理

2012 年，佐治亚理工学院王中林教授等人提出摩擦纳米发电机（TENG），通过结合摩擦起电和静电感应将机械能转化为电能[6-7]。由于TENG 具有低成本、易制造、高功率密度、材料选择范围广、可作为自供能传感器等诸多优点，利用TENG 进行能量采集及自供能监测的研究者越来越多[8-11]。经研究发现，与传统的利用电磁感应发电对比，TENG对于收集低频能量（小于5 Hz）具有明显的优势[12-14]。因此，利用TENG 收集低频、无规律的波浪能是一个极佳的选择。TENG 基本模型的理论源头是麦克斯韦位移电流[15]，具体表达式如下。

式中，D代表位移场；B代表磁场；E代表电场；H代表磁化场；Pf代表自由电荷密度；Jf代表自由电流密度。

式中，P代表极化场密度；ε0代表真空介电常数。

对于各向同性介质来说，P=（ε-ε0）E，D=εE，ε是电介质的介电常数。在式（4）中，被定义为麦克斯韦位移电流。

2 TENG 的4 种工作模式

TENG 的工作模式有4 种（图1），分别为垂直接触—分离模式、水平滑动模式、单电极模式、独立层模式[19]。垂直接触—分离模式是通过两个背部镀有金属电极的介电薄膜垂直接触分离进行发电的，由于两种介电薄膜在摩擦电序列里的位置不同、电负性不同，所以两者表面接触时会通过得失电子带上等量的异种电荷。当两个介电薄膜分离时两者间会产生感应电势差，若将背部的金属电极通过负载连接，自由移动的电子为了平衡电势差就会流通在两个电极连接的外电路中。若两个介电薄膜再次靠近接触时，两者间的电势差消失，电子返回原来的电极，周期性接触分离导致外部电路产生交流输出（图1（a））。水平滑动式原理与垂直接触分离模式类似，只不过是将垂直接触引起的介电薄膜接触分离换成通过相对滑动引起介电薄膜接触分离（图1（b））。单电极模式只需要负载与一个电极连接，负载的另一端只作为电势参考电极，也可以直接接地，此模式更有利于从自由移动物体中获取能量（图1（c）），但由于静电屏蔽效应会导致此种工作模式下的电子转移效率较低。此外，如图1（d）所示，独立层模式基本结构可以由一个可自由移动的介电薄膜和两个具有一定距离的固定电极组成。当施加一个外界激励使自由介电薄膜层从与左侧电极接触到与右侧电极接触时，两个电极间会产生不均匀电荷导致两者间出现电势差，为了平衡电势差，电子将右电极流向左电极，当介电薄膜层从与右侧电极接触回到与左侧电极接触时，电子发生回流。因此，通过介电薄膜在两电极间的往复移动可以产生交流电输出。独立层模式不局限于连接负载的两电极需镀在相对运动器件上，不仅方便了器件的设计，同时还不会受到单电极模式下静电屏蔽效应的干扰，所以拥有较高的能量转换效率，非常适用于波浪能收集。

图1 TENG 的4 种工作模式

3 摩擦纳米波浪能发电技术研究现状

利用TENG 进行波浪能发电不仅可以为海上传感器网络提供能源供给，还能通过不同结构设计与自身机理结合使其成为自供能传感器。所以，基于TENG 的波浪能采集技术已经成为一大热点。目前，利用TENG 进行波浪能采集可以分为：液固模式TENG[20-24]、全封闭式TENG[25-35]、旋转磁盘式TENG[36]、混合式TENG[37-44]等。

3.1 液固模式TENG

首个基于液固模式的TENG 是由LIN Z H 等[20]于2013 年提出（图2（a）），通过聚二甲基硅氧烷与水的接触分离使基底上电极产生电势差，两电极通过负载连接，由于电势差的存在驱使电子流动于负载通路，从而产生电能。此液固TENG 在周期性接触分离下，所产电能可以给33 μF 的电容器充电，并有效点亮60 个发光二极管。2018 年，LI X 等[21]设计了类似浮标的液固TENG（图2（b）和图2（c）），可以从不同类型的低频振动（上下、摇晃和旋转运动）中获取能量。并通过形成网络可达到290 μA，16 725 nC，300 V 的电输出，可驱动一个射频发射器、点亮上百个发光二极管，以及为无线SOS 系统供电使其发出海洋紧急信号。为避免大规模收集波浪能时传输线受海水侵蚀，以及在TENG 单元内缠结的问题，LIU G 等[22]于2020 年设计了一种由弹簧钢带和三层聚合物膜组成的平面状电力电缆的TENG 网络（图2（d）），电力电缆内部的钢带不仅作为结构骨架，还充当电极的作用。通过实验分析可知单根电缆在一个周期内实现了34 V 的最大开路电压和25 nC 的转移电荷量。由于TENG 的新颖工作机制，水本身可以作为一种与绝缘聚合物膜相互作用的摩擦电材料，因此液固模式可以大大减少海水腐蚀和静电干扰对TENG 的影响。

图2 液固接触TENG

3.2 全封闭式TENG

对于固-固接触来收集波浪能，必须需要考虑环境湿度对TENG 输出性能的影响，所以为了能在恶劣条件下工作往往采用全封闭结构。目前为止，已经报道用于收集波浪能的全封闭TENG 结构种类有很多，如滚动结构[25-32]、波状电极结构[33-34]、空气驱动膜结构[35]等。

3.2.1 滚动结构

WANG X 等[25]于2015 年设计了一个用于收集波浪能的独立式且全封闭滚动TENG （图3（a）），命名为RF-TENG，它将一个滚动的球（尼龙） 封装在一个内壳涂有聚酰亚胺薄膜的球内，通过材料和结构参数的优化，直径为6 cm 的RF-TENG 在水波驱动下可以提供1 μA 的短路电流，瞬时输出功率可达10 mW。由于独立式TENG 出色的电荷转移效率和较少摩擦的滚动结构，这种TENG 装置的性能能够在26.5%的占空比下直接驱动70 多个发光二极管和商用温度计。CHENG P 等[26]通过优化材料和结构设计，将传统的硬接触式球形TENG 改善成软接触球形TENG（SS-TENG）（图3（b）所示），由于接触面积的增加，最大输出电荷比传统TENG 增加了10 倍。除此之外，RODRIGUES C 等[27]于2021 年开发了3 种基于滚动球体的TENG 系统，通过定标导航浮标内的真实海况下的大尺度波浪水槽实验表明：当受到波浪激励时，电气输出对俯仰自由度有很大的依赖性，并且需要考虑浮标的全部动态，而不仅仅是TENG 的动态。

图3 全封闭式TENG

3.2.2 波状电极结构

WEN X 等[33]于2014 年发明了一种基于波状结构的TENG（图3（c）），将铜-聚酰亚胺-铜膜夹在两个扁平的纳米结构聚四氟乙烯膜之间，利用摩擦起电效应转化能量。作者研究了不同搅拌方式来触发全包装的TENG，通过分析输出信号及其相应的傅立叶变换频谱，3 种搅动方法被相互区分开来，证明了该TENG 在水文分析中的潜力。ZHANG L M等[34]制作了一个集成了12 组多层波状结构正十二面摩擦纳米发电机（WS-TENGs）（图3（d））。该装置通过波浪驱动整流后可以获得260 V 和220 μA高输出电压和电流，展示了一种优于传统水波能量收集的有效方法。

3.2.3 空气驱动膜结构

XU L 等[35]于2017 年通过设计新颖的弹簧悬浮振荡器结构研发了一种基于空气驱动膜结构的集成摩擦电纳米发电机阵列装置（图3（e）），该装置利用空气压力来传递和分配收集的水波能量。实验显示，在约2.9 Hz 的谐振频率附近的低频下工作时，集成38 个TENG 单元的器件可以得到15 μC的每周期转移电荷、187 μA 的短路电流，以及13.23 W/m3的优化峰值功率密度，因此可以在真实的水波中同时点亮600 个发光二极管，由于弹簧悬浮振荡器结构的创新设计和利用空气压力传递和分配收集的水波能量的机制，该器件可以轻松地将大规模高密度TENG 阵列集成在一个封装中，并大大增加输出。

3.3 磁盘旋转式TENG

JIANG T 等[36]于2020 年设计了一种用于超低频水波能量收集的高能量转换效率摇摆结构摩擦纳米发电机（SS-TENG）（图4（a））。通过气隙和柔性介电刷的设计使摩擦阻力最小化，摩擦电荷可持续，从而提高了鲁棒性和耐用性。实验显示，在电机参数为行程为7 cm 和加速度为7.5 m/s2时，最大峰值功率为4.56 mW，平均功率为0.48 mW。重要的是，该装置可以在一次触发下实现最长88 s 的摆动时间，并表现出优异的耐用性。图4（b）和图4（c）显示出在波浪的驱动下，SS-TENG 产生的电量储存在电容器后成功驱动数字温度计。图4（d）和图4（e）显示出在波浪的驱动下，SS-TENG 产生的电量储存在电容器后为无线发射器供电，该发射器通过向接收器发生信号并成功开启警报。实验证明了SS-TENG在自供电温度传感和蓝色能源环境监测中的潜在应用。

图4 磁盘旋转式TENG

3.4 混合式TENG

海洋技术的发展要求能量收集装置能够在低频的情况下对波浪能进行高效的采集。多项研究显示，集成多种能量采集技术进行波浪能收集似乎是一个非常有前途的解决方案。CHEN X 等[37]于2019 年提出了一种无序摆式摩擦电（TENG）与电磁（EMG）混合的纳米发电机和自供电无线传感节点系统（图5（a））。该装置物理设计上利用无序摆工作频率低、机电转换效率高的优点，在水波激励条件下，纳米发电机的最大输出功率可达到15.21 μW，EMG最大输出功率可达1.23 mW（图5（b）和图5（c）所示）。此外，混合纳米发电机可以为浮标上的海洋环境监测系统的无线传感节点供电，自供电发送端将监测数据传输到基站。作者认为，该研究为收集蓝色能量提供了创新有效的方法，也为航空航天和工业提供了新的方向。FENG Y 等[38]于2021 年设计了一种包含软接触圆柱摩擦电纳米发电机和摆动式电磁发电机的混合纳米发电机（图5（d））。通过引入柔性兔毛制成的电刷来分离定转子对（图5（e）），使其具有向介质表面泵送电荷的功能，从而降低运行电阻，提高器件的耐久性。经优化后的混合纳米发电机在0.1 Hz 的水波搅动下表现出最佳的输出响应，产生4.8 mW 的瞬时峰值功率，峰值功率密度为10.16W/m3，平均功率密度为0.23W/m3，最后，通过组成的阵列在超低频水波中成功演示了自供电温度测绘和无线传输（图5（f））。

图5 混合式TENG

4 摩擦纳米波浪能发电技术存在问题与研究趋势

为了达到智慧经略海洋，海上活动不断增加以及海洋装备日益整合，对能源需求也大大提升。传统波浪能发电技术往往具有维护成本高、结构笨重和转换效率低等缺点，并且大多数只能传输给大型电网，难以对海洋装备和平台进行直接供电，而采用电池供电又存在维护成本高和续航能力差等问题。对比采用电磁发电的传统波浪能发电技术，由于TENG 能在低频低振幅的情况下转换效率高，可以提供高功率输出，并且可持续高效运行，从而大大降低运行维护成本[13-14]。因此，在这种情况下，基于TENG 的波浪能发电技术成为了一个非常有潜力的替代解决方案，目的并非是为了取代电磁发电机进行大型供电，而是作为对其的一种补充，以解决海上设备及传感器的能源供应。该技术是一种新型发电技术，要发展成熟及走向实际应用依然存在着许多亟待解决的问题和挑战。针对这些问题，该领域未来研究趋势主要表现以下几个方面。

4.1 电源电路管理优化

目前利用TENG 发电大部分产生的都是交流电，而海上设备与传感器只能由直流电供电，因此通常需要通过整流桥整流才能将交流电转换成直流电。要满足广泛分布的海上传感器供电需求，往往需要利用多个TENG 形成网络对其进行供电，所需要的整流桥的数量也会较为庞大，这无疑增加了电源电路传输的复杂性和空间占据的局限性。为此，电源电路管理优化对于基于TENG 的波浪能发电技术是极其必要的。GAO Y 等[45]于2021 年通过耦合摩擦起电和静电击穿效应设计了一种滚动模式下的直流TENG，首次在滚动模式下实现了恒流输出。若将该方法运用到波浪能发电，无疑是电源电路管理优化的一种极佳方法。不通过复杂的整流桥使TENG 产生直流的方法一般有3 种，分别是机械整流、相位控制和介电击穿，将TENG 产生直流的方法运用在波浪能发电技术将会是电源电路管理优化的一个突破口。

4.2 多能利用复合结构的研究

多能综合利用是能量收集研究的重要方向。海洋环境复杂多样，海洋平台或浮标往往会集成各种海上设备与传感器等电子系统，用于对海洋气象监测、信号传输、安全监测和导航等，它们一般只通过太阳能发电对电池组进行储存供电，其成本高、效率低且容易受到光照条件的影响。而海上可利用的环境能量多种多样，比如波浪能、雨滴能、风能和太阳能。目前，大部分研究者只对单独收集波浪能的结构与技术进行了研究，若能通过集成复合机构对多种能量进行同时收集利用，不仅有利于发电系统的一体化集成，还大大提高了单位面积的能量转化效率。例如，SHAO H 等[46]结合摩擦纳米发电机和电磁发电机设计了一种多功能混合动力装置，该装置可以有效收集波浪能和太阳能，通过实验证明可以作为直接驱动发光二极管或给储能装置充电的实用电源。为了适应环境多样化，集成复合机构同时收集多种能量有利于产生更高的输出性能，同时也能提高空间利用率，实现能量采集结构与供能一体化目标。

4.3 自驱动传感的研究

波浪传感器一般可以监测波高、波周期和波向等参数，监测波浪对于海洋资源利用、海上安全和海洋灾害预警尤为重要。现如今的波浪传感器往往通过电池供能，因此具有续航能力差和维护成本高等缺点。而当前大部分收集波浪能的TENG 研究都是通过波浪能发电从而给相关传感器供电，若能合理利用TENG 发电的特色，即其所产生的电信号与自身参数或运动往往具有一定的关系（如线性关系），则可通过研究内部结构运动规律与波浪之间的关系，得出产生的电信号与波浪之间的关系，从而实现有效监测波浪的各项参数并实现自供能。例如，XU M Y 等[47]于2018 年提出了一种基于液固界面TENG 的高灵敏波传感器（WS-TENG），该波传感器由表面覆盖聚四氟乙烯薄膜的传感铜电极制成，输出电压峰值随波高线性变化，可以感测毫米范围内的波高，通过在波浪水槽中实验成功用于实时监测模拟海洋平台周围的波浪，这种新型自驱动波浪传感器可以为智能船舶设备提供一种监测波浪的替代方案。不仅仅是波浪参数，其余海洋参数的自供能监测同样可以用摩擦纳米发电技术完成。实现自驱动传感对于微型化和广泛分布的海上传感器是极其重要的，因此对自驱动传感器的研究将是未来一大发展趋势。

4.4 发电装置的稳定性和耐久性

利用TENG 的波浪能收集装置使用寿命和稳定性一直是人们担心的问题。TENG 发电过程往往是通过内部不同摩擦材料的反复接触分离，时间久了材料必然会产生耗损，输出性能可能也会因此改变。此外，波浪自身所具有的动能和势能使其在发电过程中不断对发电装置外部进行冲击，以及海水成分的不确定性，对发电装置的腐蚀同样不可忽视。因此，如何通过不同的材料加工和结构设计提高发电装置稳定性和耐久性，成为基于TENG 的波浪能发电技术亟待解决的问题。中国海洋大学的ZHAO B 等[48]于2021 年提出了一种基于摩擦—电磁复合发电技术的高性能、高耐久点吸收波浪能发电装置。该装置通过多层软刷毛结构显著提高了TENG 的输出性能和耐久性，并利用单向传动机构实现发电机的持续、高性能输出。为实现TENG 在海浪能量采集中的大规模应用，稳定性强和高耐久对于研究基于TENG 波浪能发电技术的研究者们必须考虑的重要因素。

4.5 TENG 网络的应用

单个TENG 波浪能发电装置产生的电量或许只能用于单个小型传感器的供电，但得益于简单微小的TENG 结构和辽阔的海面，可以将多个TENG 通过组合形成网络放置于海面，这样即使在小范围内，TENG 网络也能为广泛分布的传感器网络供电，甚至为当地发电厂或电网提供有用的电能。利用TENG 网络获取波浪能的概念早在2014 年就已被提出[14]，目前，已有很多原型显示出其原理上的可行性，但要大规模实际应用仍然存在许多挑战，一是上面提到的装置耐久性，海水与阳光可能导致装置外部材料降解，以及风暴可能使各TENG 单元连接结构发生疲劳破坏。二是需要考虑网络的位置与大小，以尽量减少对公众、海洋生物和航运的干扰。YANG X 等[49]于2019 年提出了一种基于封装高性能单元的自组装TENG 网络，用于对波浪能收集。该装置通过自适应磁关节来实现自组装，在磁极的自适应机制和自由度的各向异性限制下工作，具有自我修复破裂和轻松重新配置的能力，大大增强网络的自主性和机械鲁棒性，便于大规模制造和维护。为满足日益增长的能源需求，克服TENG 网络面临的挑战与困难，研究大规模TENG 网络在海洋中的实际应用有非常大的价值与前景。

5 结 论

本文综述了基于TENG 的波浪能发电技术的工作原理、工作模式和研究现状，得出利用不同结构TENG 收集波浪能拥有不同的输出性能和应用范围，并提出了该技术目前存在的一些问题，如因TENG产生的是交流电导致电源电路的复杂性和空间利用的局限性大大增加；大部分TENG 结构只适合单一能量收集；缺乏对海洋参数的自驱动传感研究；因大部分TENG 通过摩擦材料接触分离方式发电导致发电装置的稳定性较差与寿命较短，以及组成TENG 网络仍旧面临许多挑战与困难等。

结合当前一些研究案例提出了该技术未来的研究趋势，如将直流TENG 运用到波浪能发电从而进行电源电路管理优化；对多能利用复合结构的研究；对海洋参数自驱动传感的研究；利用不同结构和材料提升装置稳定性和耐久性，以及对大规模TENG 网络的探究。在当今物联网时代背景和大力开发利用新能源趋势下，基于TENG 的波浪能发电技术无疑是极具发展潜力的新型发电技术，随着该技术的日益成熟，相信构建TENG 网络有望成为实现蓝色能量梦的可行途径。