基于摩擦納米發電機的波浪能發電技術研究進展

鐘英豪，嚴 謹，梅納爾多，魏 斌

（1.廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東 湛江 524088；2.廣東海洋大學海洋工程學院，廣東湛江 524088；3.廣東海洋大學電子與信息工程學院，廣東 湛江 524088）

為解決使用傳統化石能源帶來的環境污染、全球氣候變暖、能源枯竭等一系列問題，開發綠色能源、擴大新型能源供給已成為世界共同目標[1]。海洋可再生能源由于自身綠色、低碳、清潔等特性成為人們利用發展的新對象，充分利用海洋可再生能源不僅能解決環境污染等問題，也可為深遠海發展、增強國防力量和海洋強國建設提供強有力的支撐[2]。眾多海洋可再生能源中，波浪能由于其儲量豐富、能量密度高、環境影響小、高品位及廣泛分布等特點[3]，成為海洋可再生能源研究和發展的焦點。傳統波浪能發電技術由于維護成本高、轉換效率低和轉換過程繁雜等缺點使其應用范圍受限[4-5]。而基于摩擦納米發電機（Triboelectric Nanog enerator，TENG）的新型波浪能發電技術因成本低廉、結構簡單和易制造等優點受到重點關注。本文介紹了基于TENG 的新型波浪能發電技術基本原理、工作模式，以及當今TENG 在波浪能發電領域研究現狀，最后總結了該技術目前存在問題與挑戰，并根據當前一些實例提出未來研究趨勢。

1 摩擦納米發電機基本原理

2012 年，佐治亞理工學院王中林教授等人提出摩擦納米發電機（TENG），通過結合摩擦起電和靜電感應將機械能轉化為電能[6-7]。由于TENG 具有低成本、易制造、高功率密度、材料選擇范圍廣、可作為自供能傳感器等諸多優點，利用TENG 進行能量采集及自供能監測的研究者越來越多[8-11]。經研究發現，與傳統的利用電磁感應發電對比，TENG對于收集低頻能量（小于5 Hz）具有明顯的優勢[12-14]。因此，利用TENG 收集低頻、無規律的波浪能是一個極佳的選擇。TENG 基本模型的理論源頭是麥克斯韋位移電流[15]，具體表達式如下。

式中，D代表位移場；B代表磁場；E代表電場；H代表磁化場；Pf代表自由電荷密度；Jf代表自由電流密度。

式中，P代表極化場密度；ε0代表真空介電常數。

對于各向同性介質來說，P=（ε-ε0）E，D=εE，ε是電介質的介電常數。在式（4）中，被定義為麥克斯韋位移電流。

2 TENG 的4 種工作模式

TENG 的工作模式有4 種（圖1），分別為垂直接觸—分離模式、水平滑動模式、單電極模式、獨立層模式[19]。垂直接觸—分離模式是通過兩個背部鍍有金屬電極的介電薄膜垂直接觸分離進行發電的，由于兩種介電薄膜在摩擦電序列里的位置不同、電負性不同，所以兩者表面接觸時會通過得失電子帶上等量的異種電荷。當兩個介電薄膜分離時兩者間會產生感應電勢差，若將背部的金屬電極通過負載連接，自由移動的電子為了平衡電勢差就會流通在兩個電極連接的外電路中。若兩個介電薄膜再次靠近接觸時，兩者間的電勢差消失，電子返回原來的電極，周期性接觸分離導致外部電路產生交流輸出（圖1（a））。水平滑動式原理與垂直接觸分離模式類似，只不過是將垂直接觸引起的介電薄膜接觸分離換成通過相對滑動引起介電薄膜接觸分離（圖1（b））。單電極模式只需要負載與一個電極連接，負載的另一端只作為電勢參考電極，也可以直接接地，此模式更有利于從自由移動物體中獲取能量（圖1（c）），但由于靜電屏蔽效應會導致此種工作模式下的電子轉移效率較低。此外，如圖1（d）所示，獨立層模式基本結構可以由一個可自由移動的介電薄膜和兩個具有一定距離的固定電極組成。當施加一個外界激勵使自由介電薄膜層從與左側電極接觸到與右側電極接觸時，兩個電極間會產生不均勻電荷導致兩者間出現電勢差，為了平衡電勢差，電子將右電極流向左電極，當介電薄膜層從與右側電極接觸回到與左側電極接觸時，電子發生回流。因此，通過介電薄膜在兩電極間的往復移動可以產生交流電輸出。獨立層模式不局限于連接負載的兩電極需鍍在相對運動器件上，不僅方便了器件的設計，同時還不會受到單電極模式下靜電屏蔽效應的干擾，所以擁有較高的能量轉換效率，非常適用于波浪能收集。

圖1 TENG 的4 種工作模式

3 摩擦納米波浪能發電技術研究現狀

利用TENG 進行波浪能發電不僅可以為海上傳感器網絡提供能源供給，還能通過不同結構設計與自身機理結合使其成為自供能傳感器。所以，基于TENG 的波浪能采集技術已經成為一大熱點。目前，利用TENG 進行波浪能采集可以分為：液固模式TENG[20-24]、全封閉式TENG[25-35]、旋轉磁盤式TENG[36]、混合式TENG[37-44]等。

3.1 液固模式TENG

首個基于液固模式的TENG 是由LIN Z H 等[20]于2013 年提出（圖2（a）），通過聚二甲基硅氧烷與水的接觸分離使基底上電極產生電勢差，兩電極通過負載連接，由于電勢差的存在驅使電子流動于負載通路，從而產生電能。此液固TENG 在周期性接觸分離下，所產電能可以給33 μF 的電容器充電，并有效點亮60 個發光二極管。2018 年，LI X 等[21]設計了類似浮標的液固TENG（圖2（b）和圖2（c）），可以從不同類型的低頻振動（上下、搖晃和旋轉運動）中獲取能量。并通過形成網絡可達到290 μA，16 725 nC，300 V 的電輸出，可驅動一個射頻發射器、點亮上百個發光二極管，以及為無線SOS 系統供電使其發出海洋緊急信號。為避免大規模收集波浪能時傳輸線受海水侵蝕，以及在TENG 單元內纏結的問題，LIU G 等[22]于2020 年設計了一種由彈簧鋼帶和三層聚合物膜組成的平面狀電力電纜的TENG 網絡（圖2（d）），電力電纜內部的鋼帶不僅作為結構骨架，還充當電極的作用。通過實驗分析可知單根電纜在一個周期內實現了34 V 的最大開路電壓和25 nC 的轉移電荷量。由于TENG 的新穎工作機制，水本身可以作為一種與絕緣聚合物膜相互作用的摩擦電材料，因此液固模式可以大大減少海水腐蝕和靜電干擾對TENG 的影響。

圖2 液固接觸TENG

3.2 全封閉式TENG

對于固-固接觸來收集波浪能，必須需要考慮環境濕度對TENG 輸出性能的影響，所以為了能在惡劣條件下工作往往采用全封閉結構。目前為止，已經報道用于收集波浪能的全封閉TENG 結構種類有很多，如滾動結構[25-32]、波狀電極結構[33-34]、空氣驅動膜結構[35]等。

3.2.1 滾動結構

WANG X 等[25]于2015 年設計了一個用于收集波浪能的獨立式且全封閉滾動TENG （圖3（a）），命名為RF-TENG，它將一個滾動的球（尼龍） 封裝在一個內殼涂有聚酰亞胺薄膜的球內，通過材料和結構參數的優化，直徑為6 cm 的RF-TENG 在水波驅動下可以提供1 μA 的短路電流，瞬時輸出功率可達10 mW。由于獨立式TENG 出色的電荷轉移效率和較少摩擦的滾動結構，這種TENG 裝置的性能能夠在26.5%的占空比下直接驅動70 多個發光二極管和商用溫度計。CHENG P 等[26]通過優化材料和結構設計，將傳統的硬接觸式球形TENG 改善成軟接觸球形TENG（SS-TENG）（圖3（b）所示），由于接觸面積的增加，最大輸出電荷比傳統TENG 增加了10 倍。除此之外，RODRIGUES C 等[27]于2021 年開發了3 種基于滾動球體的TENG 系統，通過定標導航浮標內的真實海況下的大尺度波浪水槽實驗表明：當受到波浪激勵時，電氣輸出對俯仰自由度有很大的依賴性，并且需要考慮浮標的全部動態，而不僅僅是TENG 的動態。

圖3 全封閉式TENG

3.2.2 波狀電極結構

WEN X 等[33]于2014 年發明了一種基于波狀結構的TENG（圖3（c）），將銅-聚酰亞胺-銅膜夾在兩個扁平的納米結構聚四氟乙烯膜之間，利用摩擦起電效應轉化能量。作者研究了不同攪拌方式來觸發全包裝的TENG，通過分析輸出信號及其相應的傅立葉變換頻譜，3 種攪動方法被相互區分開來，證明了該TENG 在水文分析中的潛力。ZHANG L M等[34]制作了一個集成了12 組多層波狀結構正十二面摩擦納米發電機（WS-TENGs）（圖3（d））。該裝置通過波浪驅動整流后可以獲得260 V 和220 μA高輸出電壓和電流，展示了一種優于傳統水波能量收集的有效方法。

3.2.3 空氣驅動膜結構

XU L 等[35]于2017 年通過設計新穎的彈簧懸浮振蕩器結構研發了一種基于空氣驅動膜結構的集成摩擦電納米發電機陣列裝置（圖3（e）），該裝置利用空氣壓力來傳遞和分配收集的水波能量。實驗顯示，在約2.9 Hz 的諧振頻率附近的低頻下工作時，集成38 個TENG 單元的器件可以得到15 μC的每周期轉移電荷、187 μA 的短路電流，以及13.23 W/m3的優化峰值功率密度，因此可以在真實的水波中同時點亮600 個發光二極管，由于彈簧懸浮振蕩器結構的創新設計和利用空氣壓力傳遞和分配收集的水波能量的機制，該器件可以輕松地將大規模高密度TENG 陣列集成在一個封裝中，并大大增加輸出。

3.3 磁盤旋轉式TENG

JIANG T 等[36]于2020 年設計了一種用于超低頻水波能量收集的高能量轉換效率搖擺結構摩擦納米發電機（SS-TENG）（圖4（a））。通過氣隙和柔性介電刷的設計使摩擦阻力最小化，摩擦電荷可持續，從而提高了魯棒性和耐用性。實驗顯示，在電機參數為行程為7 cm 和加速度為7.5 m/s2時，最大峰值功率為4.56 mW，平均功率為0.48 mW。重要的是，該裝置可以在一次觸發下實現最長88 s 的擺動時間，并表現出優異的耐用性。圖4（b）和圖4（c）顯示出在波浪的驅動下，SS-TENG 產生的電量儲存在電容器后成功驅動數字溫度計。圖4（d）和圖4（e）顯示出在波浪的驅動下，SS-TENG 產生的電量儲存在電容器后為無線發射器供電，該發射器通過向接收器發生信號并成功開啟警報。實驗證明了SS-TENG在自供電溫度傳感和藍色能源環境監測中的潛在應用。

圖4 磁盤旋轉式TENG

3.4 混合式TENG

海洋技術的發展要求能量收集裝置能夠在低頻的情況下對波浪能進行高效的采集。多項研究顯示，集成多種能量采集技術進行波浪能收集似乎是一個非常有前途的解決方案。CHEN X 等[37]于2019 年提出了一種無序擺式摩擦電（TENG）與電磁（EMG）混合的納米發電機和自供電無線傳感節點系統（圖5（a））。該裝置物理設計上利用無序擺工作頻率低、機電轉換效率高的優點，在水波激勵條件下，納米發電機的最大輸出功率可達到15.21 μW，EMG最大輸出功率可達1.23 mW（圖5（b）和圖5（c）所示）。此外，混合納米發電機可以為浮標上的海洋環境監測系統的無線傳感節點供電，自供電發送端將監測數據傳輸到基站。作者認為，該研究為收集藍色能量提供了創新有效的方法，也為航空航天和工業提供了新的方向。FENG Y 等[38]于2021 年設計了一種包含軟接觸圓柱摩擦電納米發電機和擺動式電磁發電機的混合納米發電機（圖5（d））。通過引入柔性兔毛制成的電刷來分離定轉子對（圖5（e）），使其具有向介質表面泵送電荷的功能，從而降低運行電阻，提高器件的耐久性。經優化后的混合納米發電機在0.1 Hz 的水波攪動下表現出最佳的輸出響應，產生4.8 mW 的瞬時峰值功率，峰值功率密度為10.16W/m3，平均功率密度為0.23W/m3，最后，通過組成的陣列在超低頻水波中成功演示了自供電溫度測繪和無線傳輸（圖5（f））。

圖5 混合式TENG

4 摩擦納米波浪能發電技術存在問題與研究趨勢

為了達到智慧經略海洋，海上活動不斷增加以及海洋裝備日益整合，對能源需求也大大提升。傳統波浪能發電技術往往具有維護成本高、結構笨重和轉換效率低等缺點，并且大多數只能傳輸給大型電網，難以對海洋裝備和平臺進行直接供電，而采用電池供電又存在維護成本高和續航能力差等問題。對比采用電磁發電的傳統波浪能發電技術，由于TENG 能在低頻低振幅的情況下轉換效率高，可以提供高功率輸出，并且可持續高效運行，從而大大降低運行維護成本[13-14]。因此，在這種情況下，基于TENG 的波浪能發電技術成為了一個非常有潛力的替代解決方案，目的并非是為了取代電磁發電機進行大型供電，而是作為對其的一種補充，以解決海上設備及傳感器的能源供應。該技術是一種新型發電技術，要發展成熟及走向實際應用依然存在著許多亟待解決的問題和挑戰。針對這些問題，該領域未來研究趨勢主要表現以下幾個方面。

4.1 電源電路管理優化

目前利用TENG 發電大部分產生的都是交流電，而海上設備與傳感器只能由直流電供電，因此通常需要通過整流橋整流才能將交流電轉換成直流電。要滿足廣泛分布的海上傳感器供電需求，往往需要利用多個TENG 形成網絡對其進行供電，所需要的整流橋的數量也會較為龐大，這無疑增加了電源電路傳輸的復雜性和空間占據的局限性。為此，電源電路管理優化對于基于TENG 的波浪能發電技術是極其必要的。GAO Y 等[45]于2021 年通過耦合摩擦起電和靜電擊穿效應設計了一種滾動模式下的直流TENG，首次在滾動模式下實現了恒流輸出。若將該方法運用到波浪能發電，無疑是電源電路管理優化的一種極佳方法。不通過復雜的整流橋使TENG 產生直流的方法一般有3 種，分別是機械整流、相位控制和介電擊穿，將TENG 產生直流的方法運用在波浪能發電技術將會是電源電路管理優化的一個突破口。

4.2 多能利用復合結構的研究

多能綜合利用是能量收集研究的重要方向。海洋環境復雜多樣，海洋平臺或浮標往往會集成各種海上設備與傳感器等電子系統，用于對海洋氣象監測、信號傳輸、安全監測和導航等，它們一般只通過太陽能發電對電池組進行儲存供電，其成本高、效率低且容易受到光照條件的影響。而海上可利用的環境能量多種多樣，比如波浪能、雨滴能、風能和太陽能。目前，大部分研究者只對單獨收集波浪能的結構與技術進行了研究，若能通過集成復合機構對多種能量進行同時收集利用，不僅有利于發電系統的一體化集成，還大大提高了單位面積的能量轉化效率。例如，SHAO H 等[46]結合摩擦納米發電機和電磁發電機設計了一種多功能混合動力裝置，該裝置可以有效收集波浪能和太陽能，通過實驗證明可以作為直接驅動發光二極管或給儲能裝置充電的實用電源。為了適應環境多樣化，集成復合機構同時收集多種能量有利于產生更高的輸出性能，同時也能提高空間利用率，實現能量采集結構與供能一體化目標。

4.3 自驅動傳感的研究

波浪傳感器一般可以監測波高、波周期和波向等參數，監測波浪對于海洋資源利用、海上安全和海洋災害預警尤為重要。現如今的波浪傳感器往往通過電池供能，因此具有續航能力差和維護成本高等缺點。而當前大部分收集波浪能的TENG 研究都是通過波浪能發電從而給相關傳感器供電，若能合理利用TENG 發電的特色，即其所產生的電信號與自身參數或運動往往具有一定的關系（如線性關系），則可通過研究內部結構運動規律與波浪之間的關系，得出產生的電信號與波浪之間的關系，從而實現有效監測波浪的各項參數并實現自供能。例如，XU M Y 等[47]于2018 年提出了一種基于液固界面TENG 的高靈敏波傳感器（WS-TENG），該波傳感器由表面覆蓋聚四氟乙烯薄膜的傳感銅電極制成，輸出電壓峰值隨波高線性變化，可以感測毫米范圍內的波高，通過在波浪水槽中實驗成功用于實時監測模擬海洋平臺周圍的波浪，這種新型自驅動波浪傳感器可以為智能船舶設備提供一種監測波浪的替代方案。不僅僅是波浪參數，其余海洋參數的自供能監測同樣可以用摩擦納米發電技術完成。實現自驅動傳感對于微型化和廣泛分布的海上傳感器是極其重要的，因此對自驅動傳感器的研究將是未來一大發展趨勢。

4.4 發電裝置的穩定性和耐久性

利用TENG 的波浪能收集裝置使用壽命和穩定性一直是人們擔心的問題。TENG 發電過程往往是通過內部不同摩擦材料的反復接觸分離，時間久了材料必然會產生耗損，輸出性能可能也會因此改變。此外，波浪自身所具有的動能和勢能使其在發電過程中不斷對發電裝置外部進行沖擊，以及海水成分的不確定性，對發電裝置的腐蝕同樣不可忽視。因此，如何通過不同的材料加工和結構設計提高發電裝置穩定性和耐久性，成為基于TENG 的波浪能發電技術亟待解決的問題。中國海洋大學的ZHAO B 等[48]于2021 年提出了一種基于摩擦—電磁復合發電技術的高性能、高耐久點吸收波浪能發電裝置。該裝置通過多層軟刷毛結構顯著提高了TENG 的輸出性能和耐久性，并利用單向傳動機構實現發電機的持續、高性能輸出。為實現TENG 在海浪能量采集中的大規模應用，穩定性強和高耐久對于研究基于TENG 波浪能發電技術的研究者們必須考慮的重要因素。

4.5 TENG 網絡的應用

單個TENG 波浪能發電裝置產生的電量或許只能用于單個小型傳感器的供電，但得益于簡單微小的TENG 結構和遼闊的海面，可以將多個TENG 通過組合形成網絡放置于海面，這樣即使在小范圍內，TENG 網絡也能為廣泛分布的傳感器網絡供電，甚至為當地發電廠或電網提供有用的電能。利用TENG 網絡獲取波浪能的概念早在2014 年就已被提出[14]，目前，已有很多原型顯示出其原理上的可行性，但要大規模實際應用仍然存在許多挑戰，一是上面提到的裝置耐久性，海水與陽光可能導致裝置外部材料降解，以及風暴可能使各TENG 單元連接結構發生疲勞破壞。二是需要考慮網絡的位置與大小，以盡量減少對公眾、海洋生物和航運的干擾。YANG X 等[49]于2019 年提出了一種基于封裝高性能單元的自組裝TENG 網絡，用于對波浪能收集。該裝置通過自適應磁關節來實現自組裝，在磁極的自適應機制和自由度的各向異性限制下工作，具有自我修復破裂和輕松重新配置的能力，大大增強網絡的自主性和機械魯棒性，便于大規模制造和維護。為滿足日益增長的能源需求，克服TENG 網絡面臨的挑戰與困難，研究大規模TENG 網絡在海洋中的實際應用有非常大的價值與前景。

5 結 論

本文綜述了基于TENG 的波浪能發電技術的工作原理、工作模式和研究現狀，得出利用不同結構TENG 收集波浪能擁有不同的輸出性能和應用范圍，并提出了該技術目前存在的一些問題，如因TENG產生的是交流電導致電源電路的復雜性和空間利用的局限性大大增加；大部分TENG 結構只適合單一能量收集；缺乏對海洋參數的自驅動傳感研究；因大部分TENG 通過摩擦材料接觸分離方式發電導致發電裝置的穩定性較差與壽命較短，以及組成TENG 網絡仍舊面臨許多挑戰與困難等。

結合當前一些研究案例提出了該技術未來的研究趨勢，如將直流TENG 運用到波浪能發電從而進行電源電路管理優化；對多能利用復合結構的研究；對海洋參數自驅動傳感的研究；利用不同結構和材料提升裝置穩定性和耐久性，以及對大規模TENG 網絡的探究。在當今物聯網時代背景和大力開發利用新能源趨勢下，基于TENG 的波浪能發電技術無疑是極具發展潛力的新型發電技術，隨著該技術的日益成熟，相信構建TENG 網絡有望成為實現藍色能量夢的可行途徑。