研究人员开发了一种用于全向水波能收集的摩擦纳米发电机。图片来源：中科院北京纳米能源与系统研究所

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所等机构研究人员开发了一种用于全向水波能收集的摩擦纳米发电机。该设备可以通过共振效应实现对不同频率水波能的有效收集，并在水波测试中获得了良好的实验结果。

5月26日，相关论文刊登于《焦耳》。

该论文通讯作者、中科院北京纳米能源与系统研究所研究员王杰告诉《中国科学报》，全球化石能源储量的急剧下降、大规模使用带来的环境问题，以及能源需求的持续增加，使发展绿色清洁的可再生能源对人类的可持续发展至关重要。

虽然太阳能和风能等一些清洁能源已经被用于发电，但其间歇性很难满足电网对稳定能源的严格需求。基于储量丰富、绿色无污染和相对稳定性的特性，海浪能被认为是未来人类清洁能源体系中的重要组成部分。但由于海浪频率低、方向和频率随机变化等特点使其很难被有效收集。

王杰表示，虽然电磁式发电机已经发展成为机械能收集技术的主流，但受限于价格高、体积大、低频效率低等特点，并不是大规模海浪能收集的最佳选择。基于价格低廉、重量轻和低频高效等优点，摩擦纳米发电机（TENG）被认为是进行海浪能收集最有效的技术之一。但相关研究无法实现对全向和全频的水波能的收集，而且水屏蔽效应对TENG输出性能削弱的问题需要被进一步解决。

为了解决上述的问题，研究人员设计了一种主动共振的TENG（AR-TENG）用于全向和全频水波能的收集。首先，基于单摆和不倒翁的全向自由度以及TENG柔性环状的结构设计，AR-TENG可以很好得适应水波方向变化的特性进而实现全向水波能的收集。

之后，研究人员利用单线摆和不倒翁结构组成了共振系统，AR-TENG可以通过共振效应实现不同频率的水波能的有效收集。然后，凭借相关结构的高频阻尼运动，AR-TENG在低频水波驱动下实现了高频的输出进而大幅度提高了水波能的收集效率。

此外，结合柔性环状结构的面接触和多层的结构设计，相比前期点接触的球形TENG相比AR-TENG的输出性能提高了10几倍。而且，AR-TENG在真实水波实现和模拟试验中实现相近的输出性能。

专家表示，这项研究工作为实现自供电的海洋传感和蓝色能源收集提供了新的思路。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.04.016