海洋能摩擦納米發電網路的能量管理研究獲進展

伴隨人類社會的發展，能源始終是關鍵和重要的話題，它是人類生產、生活中不可或缺的物質基礎。近年來，由化石燃料燃燒所導致的氣候惡化和能源危機引起了世界範圍內的關注。因此，當前急需尋找其他可再生的清潔能源。海洋波浪能儲量豐富，且幾乎不依賴於環境條件，是一種有望大規模應用的可再生能源。然而由於缺乏有效且經濟的能量採集技術，這種能源很少被開發使用。目前，大多數波浪能發電裝置都是基於電磁感應發電機，具有笨重、體積龐大、價格昂貴、易腐蝕、在海浪頻率下效率低的缺點。所以，需要尋找一種小型、輕量化、經濟的、一體化水波能量收集方法。

摩擦納米發電機（TENG）提供了一種將機械能轉化成電能的新途徑，具有收集海洋表面波浪能的巨大潛能。2014年中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林提出「藍色能源」的思想，將成千上萬的發電單元連接成TENG網路用來收集大範圍的波浪能。之後，內嵌金屬球的格子狀結構和球殼結構單元組成的發電網路被研製出來，以及通過彈簧和多層結構的引入，球形發電單元的性能得到很大的改進。但是，由於大的阻抗和不平衡的負載匹配，發電機網路很難直接驅動電子設備或者給儲存設備充電。為了打破這一瓶頸，研製有效的能量管理技術是非常有必要的，這有利於實現更有效的水波能利用。

近日，在北京納米能源所王中林和張弛的指導下，博士生梁茜、副研究員蔣濤和博士生劉國旭等人組成的研究團隊探究了面向海洋能收集的摩擦納米發電機網路的能量管理技術與方法。基於耦合彈簧及多層結構的球形發電單元，構建了海洋能收集的納米發電機網路，並與能量管理模塊有效集成。通過對發電機網路的能量管理，在負載電阻上得到平穩持續的電壓輸出，實現給電容充電時儲存能量提高96倍，並能持續驅動溫度計測量水溫，且每10秒鐘無線發射信號一次。這項研究擴展了能量管理技術在海洋能收集領域的應用，有利於推動藍色能源技術的發展。相關成果以Triboelectric Nanogenerator Networks Integrated with Power Management Module for Water Wave Energy Harvesting 為題發表在近期的《先進能源材料》（Adv. Funct. Mater）上。

(a) 球形摩擦納米發電機網路的結構示意圖；(b) 海洋能摩擦納米發電網路能量管理的原理示意圖；(c) 給10mF電容器直接充電與能量管理後充電的電壓曲線比較；(d) 能量管理後的發電機網路驅動無線發射器時的電壓曲線。

來源：中國科學院北京納米能源與系統研究所

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