基于摩擦納米發電機的海洋波浪能收集系統＊

郭昌鑫，萬穎蕾，張彩銀，陳公興，周衛星

（廣州理工學院電氣與電子工程學院，廣東 廣州510540）

1 引言

目前，國內外對于海上清潔能源的收集主要有風能、潮汐能、溫差能等，而國內海上風力發電裝置仍主要采用底座式，即需要把發電機底部的支撐裝置打入海底，但隨著所處海域深度增加，風機底座受到潮流的動荷載也越大、受海水腐蝕的程度也會加深；而國外更趨向于浮式的海上風力發電發展（類似于海上石油鉆井平臺），優點是浮式裝置不受海底深度的影響，其缺點是易受風浪的影響而大幅搖晃。對于波浪能，其具有能量密度高、分布面廣等優點，是一種取之不盡的可再生清潔能源，傳統上是利用波能轉換器將波浪能轉換成機械能，再由機械能裝換成電能，對于無法從大陸直接獲取電能的遠洋群島，大規模開發波浪能具有重要戰略意義，而近年來發展起來的摩擦納米發電機（TENG）在對低頻和隨機能量捕獲方面表現出了巨大優勢，逐漸成為國內外的研究熱點[1]。

TENG 是基于自驅式納米技術并以接觸式/摩擦起電和靜電感應為基礎的微/納機電動力系統[2]，該發電方式開辟了新道路，巧妙地利用上述被忽視的能量將其直接轉換為電能，實現持續供給、綠色環保、輕量化、低成本等，這些特點使其可以成為新的能量補充方式來滿足能量轉換需求[3]，有助于大規模地生產和應用在波浪能發電上。

2 系統整體方案設計

本設計采用雙球形和彈簧支持分離兩種結構進行摩擦發電。雙球形結構是指大球內部帶有一小球，其中大球內壁貼有易得電子的摩擦材料，而小球外壁貼有易失電子的摩擦材料，在海浪作用下，內、外表面的摩擦材料相互摩擦，從而產生交流電；同理，彈簧支持分離結構由上、下貼有兩種摩擦材料的塑料板和兩板間均勻分布的四個彈簧組成，在海浪和彈簧的作用下，摩擦產生交流電，實驗中將彈簧支持分離結構置于雙球形結構上部，同時將光伏發電板置于彈簧支持分離結構的上層板上方，作為系統輔助發電模塊。系統整體設計如圖1 所示。

圖1 系統整體設計框圖

由于TENG 發出的是交流電，需先由整流裝置將交流電轉換成直流電，再經穩壓裝置穩壓后即可儲能。但受環境因素影響，系統發電量是時刻變化的，因此系統需要采功率傳感器將TENG 發出的一部分電能轉換成小信號，再經單片機計算發電量情況后由無線傳輸模塊進行實時信號傳輸，儲能系統就可根據具體情況做出儲能或者釋能的決策。

3 硬件結構

3.1 單片機STM32

本系統采用的主控器是STM32F1 系列單片機，其運算速度是51 單片機的幾十倍，該控制器具有低功耗、數字信號處理等優點，用于實驗中配合功率傳感器和無線通信模塊達到實時監控摩擦納米發電機發電情況。

3.2 聚四氟乙烯Teflon

聚四氟乙烯作為當今世界上耐腐蝕性能最佳的材料，是四氟乙烯合成的易得電子含氟聚合物，本實驗將其作為TENG 的“負”方向材料，制成薄膜并與易失去電子的尼龍薄膜摩擦發電。

3.3 聚酰胺（尼龍）-66

聚酰胺-66，俗稱尼龍-66，是生活中常用塑料制品的原材料，具有較高熔點、耐油、耐磨損等優點，實驗中將其薄膜形式作為TENG 的“正”方向材料，與Teflon 摩擦時將失去電子，從而產生電能。

3.4 無線串口通信模塊NRF24L01

本系統采用NRF24L01無線收發器實時傳輸TENG發電系統的發電情況，該模塊具有體積小、功耗低、工作溫度范圍廣等優點，適用于在環境復雜的海面上傳輸信號。

4 測驗發電電壓

由于TENG 發電量與摩擦材料本身的厚度有關，因此，本實驗采用長、寬均為8 cm 的摩擦材料進行摩擦發電測驗，實驗共分為8 組，各組摩擦材料厚度如表1 所示。先將2 種摩擦材料表面貼上雙面導電的銅箔（轉移薄膜表面電荷），再連接導線于銅箔上后把貼有銅箔的那一面貼在紙板上，起到固定薄膜作用，兩根導線的另一端接到交流電測量儀上，最后將兩種摩擦材料進行勻速開合式摩擦（垂直接觸分離），間隔寬度為1.5 cm，開合次數為20 次，最后取其交流電壓穩定值，測得數據如表1 所示。

表1 不同厚度摩擦材料發電電壓對照表

在垂直接觸分離模式下，接觸面會產生電荷轉移，電荷密度逐漸趨向飽和，這是由于在電荷建立的靜電場下產生靜電感應效應，從而驅動電路中的電子轉移。兩個電極之間的相對電壓差（V）和和短路條件下的位移電流密度（JD）可以分別表示為[4-5]：

式（1）（2）中：z為極板間距的時間常數；t為時間；d1和d2分別為第一、第二納米摩擦塊厚度；ε1、ε2分別為第一、第二納米摩擦塊的介電常數；σ1（z，t）為轉移電子的累計密度；σc為電介質表面電荷密度；ε0為真空中介電常數。

實驗采用MATLAB 軟件繪制不同厚度摩擦材料的TENG 發電電壓曲線，如圖2 所示，圖中可清晰觀察到，當厚度為0.14 mm 的尼龍薄膜和0.03 mm 的Teflon 薄膜摩擦時，摩擦材料表面的電荷量最高，即交流電壓最大，因此系統中TENG 摩擦材料應采用最后一組的厚度數據。

圖2 不同厚度摩擦材料發電電壓曲線圖

5 測驗結果與分析

系統調試初期，采用20 顆LED 燈作為負載以驗證TENG 的發電情況，但未對TENG 的兩種摩擦起電材料進行試驗，導致系統發電效率低，LED 燈亮度自然較低。

另外，受實驗設備限制，本實驗的兩種摩擦材料無法采用納米金顆粒制備的高性能聚合物薄膜，而采用在摩擦材料表面制作微結構以及摻雜納米金顆粒制備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觸摩擦時的性能，增大了表面電荷密度[6]。因此實際利用中兩種摩擦材料也需要采用納米金顆粒制備高性能聚合物薄膜的方法，才能提高表面電荷密度，發電效率也就提高了。

6 結束語

本實驗介紹了基于摩擦納米發電機的海洋波浪能收集系統及實現過程，TENG 海洋波浪能收集系統實物如圖3 所示。測試表明，TENG 的反應速度較快、系統誤差較小、功能穩定，具有一定的應用價值和市場前景，在今后還可對本系統進行完善改進，比如增加發電功率預測系統，將對中國經濟的可持續發展有著重要價值和意義。

TENG 巧妙運用摩擦起電的原理，充分發揮摩擦的正效應作用，通過設計納米結構的摩擦表面將機械能高效率地轉化為電能，可作為電源驅動系統，可在日常生活中將人體的機械能轉化為電能為各種移動電子產品充電，可用作傳感器來探測微小的壓強變化，使能源的利用更高效，推動節能環保新能源產業的持續發展，變革人類的經濟結構和生產方式，給人類帶來巨大的福利。

圖3 TENG 海洋波浪能收集系統實物圖