王中林院士&张弛Adv. Funct. Mater.: 海洋能摩擦纳米发电网络的能量管理

钢铁侠 5年前 (2019-01-13) 5143浏览

【前言】

随着人类社会的发展，能源始终是关键的话题，因为它在人们的生活中是不可或缺的。近年来，由化石燃料燃烧所导致的气候恶化和能源危机引起了世界范围内的关注。因此，当前急需寻找其他可再生的清洁能源。海洋波浪能储量丰富，且几乎不依赖于环境条件，是一种有望大规模应用的可再生能源。然而由于有效的、经济的能量采集技术的缺乏，这种能源很少被开发使用。目前，大多数的波浪能发电装置都是基于电磁感应发电机，具有笨重、体积庞大、昂贵、易腐蚀、在海浪频率下效率低下的缺点。所以，需要寻找一种小型、轻量化、经济的、一体化的水波能量收集方法。

摩擦纳米发电机（TENG）提供了一种将机械能转化成电能的新途径，具有收集海洋表面波浪能的巨大潜能。由于与电磁发电机在物理机制上的根本差异，摩擦纳米发电机有望成为收集低频机械能特别是“蓝色能源”的“杀手”应用。2014年王中林院士提出“蓝色能源”的思想，将成千上万的发电单元连接成TENG网络用来收集大范围的波浪能。之后，内嵌金属球的格子状结构和球壳结构单元组成的发电网络被研制出来，以及通过弹簧和多层结构的引入，球形发电单元的性能得到了很大的改进。但是，由于大的阻抗和不平衡的负载匹配，发电机网络很难直接驱动电子设备或者给储存设备充电。所以，为了打破这一瓶颈，有效的能量管理是非常有必要的，这有利于实现更有效的水波能利用。

【成果简介】

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士和张弛研究员（共同通讯作者）等人探究了面向海洋能收集的摩擦纳米发电机网络的能量管理技术与方法，并在Advanced Functional Materials上发表了题为“Triboelectric Nanogenerator Networks Integrated with Power Management Module for Water Wave Energy Harvesting”的论文，博士生梁茜、蒋涛副研究员和博士生刘国旭是论文的共同第一作者。在这项工作中，作者基于耦合弹簧及多层结构的球形发电单元，构建了海洋能收集的纳米发电机网络，并与能量管理模块有效集成。通过对发电机网络的能量管理，在负载电阻上得到平稳持续的电压输出，实现给电容充电时储存能量提高96倍，并能持续驱动温度计测量水温，且每10秒钟无线发射信号一次。这项研究扩展了能量管理技术在海洋能收集领域的应用，有利于推动蓝色能源技术的发展。

【图文导读】

图1. 球形摩擦纳米发电机网络的构建

a)耦合弹簧及多层结构的球形发电机单元的结构示意图；

b)球形发电机基本单元的工作原理示意图；

c)球形发电机网络的结构示意图；

d)发电机网络器件的照片；

e)发电机网络器件在水波中点亮LED灯的照片；

f)水波驱动的自驱动系统构建的框架。

图2. 水波类型及水波频率对发电机网络性能的影响

a)不同频率的横向正弦波作用下发电机网络的输出电流，b)输出电压，和c)功率-电阻关系；

d)不同频率的横向脉冲波作用下发电机网络的输出电流，e)输出电压，和f)功率-电阻关系；

g)不同频率的纵向脉冲波作用下发电机网络的输出电流，h)输出电压，和i)功率-电阻关系；

图3. 水波的振动幅度对发电机网络性能的影响

a)横向正弦波作用下发电机网络的输出电流与水波振幅的关系；

b)发电机网络的输出电压与水波振幅的关系；

c)发电机网络的输出功率-电阻曲线与水波振幅的关系；

d)在不同类型水波作用下发电机网络的输出功率的比较。

图4. 发电机网络经能量管理后的输出性能和充电性能

a)对发电机网络进行能量管理的原理示意图；

b)经能量管理后，在纵向脉冲波作用下，发电机网络在负载电阻上产生的输出电压；

c)能量管理后，给不同电容充电的电压曲线；

d)电压的直流分量与电阻的关系及电容上储存能量与电容的关系；

e)给10mF电容器直接充电与能量管理后充电的电压曲线比较。

图5. 发电机网络能量管理后的应用展示

1.a) 经能量管理后，在横向正弦波作用下，发电机网络驱动数字温度计的照片；

2.b) 能量管理后的发电机网络驱动数字温度计时的电压曲线；

3.c) 经能量管理后，在横向正弦波作用下，发电机网络驱动无线发射器发射信号报警的照片；

4.d) 能量管理后的发电机网络驱动无线发射器时的电压曲线。

【结论】

综上所述，作者基于耦合弹簧及多层结构的球形摩擦纳米发电机单元制备了纳米发电机网络，并与能量管理模块有效地集成。在横向正弦、横向脉冲和纵向脉冲波三种类型水波中研究了水波频率和振幅对发电网络输出性能的影响。在纵向脉冲波中发电网络产生的最高输出为270 µA, 354 V, 12.20 mW (对应于3.33 W m^-3)。经过能量管理，发电机网络能在负载电阻上输出平稳持续的电压，给电容充电时储存能量提高了96倍，并能持续驱动温度计测量水温，且每10秒钟驱动无线发射器发射信号一次。这些结果显示了能量管理后发电机网络的性能有了很大的改进，展示了蓝色能源应用的巨大前景。

文献链接：Triboelectric Nanogenerator Networks Integrated with Power Management Module for Water Wave Energy Harvesting (Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201807241)

【团队介绍】

王中林院士：中国科学院外籍院士和欧洲科学院院士。现为佐治亚理工学院终身校董事讲席教授，Hightower终身讲席教授，中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长兼首席科学家。已在国际一流刊物上发表了超过1400篇期刊论文（其中40余篇发表在 Science、Nature及子刊上），7本科学专著，超过200 项专利。Nano Energy 的发刊主编和现任主编。他已被邀请做过900多次学术讲演和大会特邀报告。2015年汤森路透引文桂冠奖获得者，2018年第十一届埃尼“前沿能源奖”获得者，位列Google Scholar（谷歌学术）2018年公布的全球纳米技术专家学术引用与影响力排行榜第一名。王中林院士的研究具有原创性，前瞻性和引领性。他在电子显微学和纳米科学方面有多项国际重要影响力的原创性和开创性研究成果，其中包括反射电子能量损失谱，等离子体激发，电子的非弹性散射理论，透射显微镜中纳米材料的力学和电学性能的原位测量技术，纳米氧化锌的生长和控制，纳米发电机，压电电子学，压电光电子学，纳米传感等。

张弛：中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员，摩擦电子学研究组负责人。主要从事纳米发电机和自驱动微系统领域的研究，集中于摩擦纳米发电机、摩擦电子学器件、自供能微纳仪器与设备等，并开展其在柔性机械、智能装备和物联网等领域的应用研究。已发表论文80余篇，获25项国内外专利授权。出版中国微米纳米技术研究丛书1章。在国际学术会议做大会报告1次，邀请报告20余次。主持国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中国博士后科学基金、中科院及北京市科技项目等。获评中国新锐科技人物卓越影响奖、北京市科学技术二等奖、北京市青年拔尖团队带头人、北京市科技新星、中国科学院青年创新促进会会员、NSK中日友好机械工学优秀论文奖。

梁茜、刘国旭（共同一作）为北京纳米能源所王中林院士和张弛课题组的博士研究生，蒋涛（共同一作）为北京纳米能源所王中林院士课题组副研究员。

附：王中林院士个人成果网址：

http://www.nanoscience.gatech.edu/group/Current%20Members/Group%20Leader/Zhong%20Lin%20Wang.php

王中林院士研究组主页：http://www.binn.cas.cn/ktz/wzlyjz/yjzjjwzl/

2.Toward the blue energy dream by triboelectric nanogenerator networks (Nano Energy, 2017, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.06.035)

3.Coupled Triboelectric Nanogenerator Networks for Efficient Water Wave Energy Harvesting(ACS Nano, 2018, https://doi.org/10.1021/acsnano.7b08674)

4.Integrated triboelectric nanogenerator array based on air-driven membrane structures for water wave energy harvesting (Nano Energy, 2017, http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2016.11.037)

5.Spring-assisted triboelectric nanogenerator for efficiently harvesting water wave energy(Nano Energy, 2017, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2016.12.004)

6.Silicone-Based Triboelectric Nanogenerator for Water Wave Energy Harvesting (ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, https://doi.org/10.1021/acsami.7b17239)

7.Spherical Triboelectric Nanogenerators Based on Spring‐Assisted Multilayered Structure for Efficient Water Wave Energy Harvesting (Adv. Funct. Mater., 2018, https://doi.org/10.1002/adfm.201802634)

本文系作者课题组供稿。

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