近年來，隨著各國實現(xiàn)工業(yè)化，能源消耗不斷增加，可再生能源的開發(fā)和利用變得越來越重要。值得注意的是，海洋能是一種取之不盡、用之不竭、無污染的巨大可再生能源。因此，海洋能源的開發(fā)利用，尤其是波浪能的研究可以說是海洋能源利用領(lǐng)域中最為重要的一項工作，今年來成為了研究者們關(guān)注的焦點。然而，傳統(tǒng)的基于電磁發(fā)電技術(shù)的波浪能發(fā)電裝置在低頻低振幅的海浪作用情況下，很難有效的發(fā)揮發(fā)電效果。值得一提的是，摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）作為新一代的能源器件，能夠有效地將低頻和低振幅的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，為從海浪能中獲取能量提供了一種新的實用途徑。

近日，浙江大學(xué)海洋學(xué)院海洋電子與智能系統(tǒng)研究所納米能源研究團(tuán)隊，利用生活中常見的氣球制作成了可用于收集波浪能的多倍頻高性能摩擦納米發(fā)電機(jī)。這項研究發(fā)表在國際著名期刊《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials）上，論文題目為“Multiple-frequency high-output triboelectric nanogenerator based on awater balloon for all-weather water wave energy harvesting”。

論文第一作者為浙江大學(xué)海洋學(xué)院2019級博士研究生夏克泉，通訊作者為浙江大學(xué)海洋學(xué)院徐志偉教授。

做個水氣球發(fā)電

氣球是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷囊环N兒童玩具，向氣球中注入水后，它會具有很好的彈性和可拉伸特性。同時，構(gòu)成氣球的PVC材料是一種具有優(yōu)良摩擦電特性的介電材料。

夏克泉突然奇想，是不是能夠?qū)⑦@個特殊結(jié)構(gòu)與近年來專注的納米能源研究結(jié)合起來，利用生活中習(xí)以為常的材料發(fā)電。

于是研究團(tuán)隊制備了一種基于水氣球（WB-TENG）的多倍頻高性能摩擦納米發(fā)電機(jī)用于波浪能收集。所提出的WB-TENG由一個方形盒和一個水氣球兩部分構(gòu)成。方形盒內(nèi)壁上覆蓋一層導(dǎo)電銅箔，再在導(dǎo)電銅箔表面粘貼一層尼龍薄膜。將導(dǎo)線放到氣球中，然后向氣球中注入氯化鈉水溶液，最后通過打結(jié)的方式進(jìn)行密封。將制作好的水氣球放到方形盒子中，這樣WB-TENG發(fā)電器件就制作完成了。

圖1. (a) WB-TENG浮在水面的效果展示圖；(b, c) WB-TENG的結(jié)構(gòu)展開圖和內(nèi)部材料分布情況；(d) WB-TENG的實物圖；(e-f) 水氣球的制作過程圖；(h, i) 氣球薄膜和尼龍薄膜的電鏡照片。

為什么會發(fā)電？

根據(jù)摩擦起電原理，當(dāng)氣球和尼龍薄膜相互碰撞摩擦?xí)r，兩種薄膜的表面會帶上等量的異種電荷。當(dāng)兩種薄膜做接觸-分離運動時，根據(jù)靜電感應(yīng)原理，氣球中的氯化鈉溶液和附著在尼龍薄膜上的導(dǎo)電銅箔就會感應(yīng)出等量異種電荷，這時，在連接兩個電極的電路中就會產(chǎn)生交變電流，于是就可以發(fā)電了。

圖2. WB-TENG的發(fā)電原理

水氣球的妙用

以往的研究報道了多種用于收集水波能的摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，包括球形結(jié)構(gòu)，圓筒形結(jié)構(gòu)，塔形結(jié)構(gòu)和蝴蝶形結(jié)構(gòu)等，取得了很好的發(fā)電效果。但是，工作模式單一，能量轉(zhuǎn)化效率低，這限制了TENG的在海洋環(huán)境下收集波浪能的實際應(yīng)用。因此，在這項工作中，WB-TENG能夠?qū)崿F(xiàn)三種工作模式（完全接觸-分離模式；局部接觸-分離模式；往復(fù)接觸-分離模式），可以收集任意方向的機(jī)械能，這極大的推動了TENG在海洋能收集方面的應(yīng)用。

此外，由于水氣球具有很好的彈性，當(dāng)WB-TENG受到低頻率的外力作用時，水氣球會在盒子內(nèi)部不斷和內(nèi)壁碰撞，進(jìn)而產(chǎn)生多倍頻的輸出電流。根據(jù)實驗測試，在相同的條件下，WB-TENG在一個工作周期內(nèi)的總轉(zhuǎn)移電荷是傳統(tǒng)的基于雙板結(jié)構(gòu)的TENG的28倍，表明這種基于水氣球的結(jié)構(gòu)設(shè)計會大大提升能量轉(zhuǎn)化效率。除此之外，由于水氣球在不增加任何支撐結(jié)構(gòu)的情況下也能達(dá)到自支撐的效果，使得WB-TENG在輕微振動下仍能產(chǎn)生電學(xué)輸出。

根據(jù)水氣球可拉伸性，在氣球與尼龍薄膜的不斷碰撞摩擦過程中，氣球表面很不斷的積累電荷直到達(dá)到飽和，這會帶來超高的輸出性能。根據(jù)實驗測試，在1.5赫茲的工作頻率下，WB-TENG短路電流的瞬時峰值可以達(dá)到147微安，開路電壓的瞬時峰值可以達(dá)到1221伏。同時，WB-TENG在外接負(fù)載為20兆歐時達(dá)到最大輸出功率，其瞬時峰值為13.52毫瓦。

值得一提的是，WB-TENG除了作為發(fā)電器件，還可以作為傳感器件反應(yīng)波浪的振動情況，對于海洋能收集和海洋環(huán)境下分布式傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建有著積極意義。

圖3. 三種工作模式示意圖及其電學(xué)輸出特征：(a) 完全接觸-分離模式；(b) 局部接觸-分離模式；(c) 往復(fù)接觸-分離模式。

圖4. (a)集成了能源管理電路的WB-TENG示意圖；(b)未來用于海洋波浪能收集的大型WB-TENG陣列的想象圖；(c)WB-TENG對不同電容的充電效果；(d, e)基于能源管理電路的不同工作狀態(tài)；(f)在波浪作用下，30個LED燈珠可以被WB-TENG點亮；(g)142個被排成“ZJU OCEAN 2020”的LED燈珠被點亮的照片；(h)不同浪高情況下的電壓輸出。

徐志偉教授建設(shè)的海洋電子與智能系統(tǒng)研究所以信息科學(xué)與海洋信息物理為學(xué)科交叉的基礎(chǔ)，重點關(guān)注應(yīng)用于海洋的信息電子、智能機(jī)器人以及新能源材料/器件。本研究由中央高?；鹳Y助和國家自然科學(xué)基金資助（61674128、61731019）。

（文 者也/圖片由受訪團(tuán)隊提供）