筏式波浪能轉(zhuǎn)換和摩擦納米發(fā)電機能量輸出耦合系統(tǒng)的模擬研究*

梁 娜，苗成旭，崔 慧，王建偉，楊希婭

筏式波浪能轉(zhuǎn)換和摩擦納米發(fā)電機能量輸出耦合系統(tǒng)的模擬研究*

梁 娜1,2，苗成旭1，崔 慧1,2，王建偉1?，楊希婭2

（1. 山東科技大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590；2. 暨南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院新能源技術(shù)研究院，廣州 510632）

發(fā)展海洋能源轉(zhuǎn)化技術(shù)是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、拓展“藍色經(jīng)濟”空間的戰(zhàn)略要求。為此，設(shè)計了一種基于筏式波浪能轉(zhuǎn)換和點頭鴨型摩擦納米發(fā)電機能量輸出的耦合系統(tǒng)，并對影響系統(tǒng)中筏體裝置部分捕能特性的壓載吃水、筏體尺寸參數(shù)以及影響系統(tǒng)輸出電勢分布的尼龍球徑、滾動距離參數(shù)進行了仿真分析。結(jié)果表明：增大筏體裝置的吃水（增加壓載）和優(yōu)化筏體裝置的尺寸都可以降低裝置的固有頻率，使其與波浪頻率達到共振，從而可以提高裝置捕獲波浪能的能力；摩擦納米發(fā)電機兩電極之間的電勢差隨著尼龍球球徑的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在球徑為30 mm時電勢差達到最大值，該電勢差還隨著尼龍球滾動距離的增大而增大，并在外部負載電阻為770 MΩ時實現(xiàn)了瞬時最大功率密度3.7 W/m3。由此可見，當在筏式波浪能轉(zhuǎn)換裝置中布置多個摩擦納米發(fā)電機陣列時，完全可以將海洋中原本無法利用的大量低頻波浪能轉(zhuǎn)化為電能，從而滿足深海傳感器網(wǎng)絡(luò)供電需求，這大大擴展了波浪能的發(fā)電潛力，使得藍色能源在未來有望得到更有效地開發(fā)。

波浪能轉(zhuǎn)換器；摩擦納米發(fā)電機；結(jié)構(gòu)設(shè)計；波浪能收集

0 引 言

波浪能作為一種重要的清潔可再生能源[1-2]將助推實現(xiàn)零碳排放和碳中和目標，因此受到了廣泛關(guān)注。目前階段，傳統(tǒng)的波浪能發(fā)電裝置主要面向大規(guī)模的能量收集[3-5]，并不側(cè)重于為單個傳感器供能。例如當前深海觀測傳感網(wǎng)絡(luò)的供電方式主要采用的是蓄電池，這大大限制了深海無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作時間和網(wǎng)絡(luò)布放的自由度。鑒于此，本研究結(jié)合筏式波浪能轉(zhuǎn)換和摩擦納米發(fā)電機（triboelectric nanogenerator, TENG）兩種技術(shù)各自的優(yōu)勢，提出了一種能夠克服海底觀測網(wǎng)絡(luò)供電方式的缺陷并充分發(fā)揮各自優(yōu)勢的波浪能綜合利用方案[6-9]，以期最大限度地捕獲海洋波浪能，提高波浪能發(fā)電潛力。其中，筏式波浪能轉(zhuǎn)換裝置一方面可以多自由度捕獲海洋藍色能源，具有較高的波浪能俘獲效率[10-11]，另一方面具有潮位自適應(yīng)性，可以根據(jù)潮位的變化，保證浮力擺的固定吃水實現(xiàn)最高能量俘獲效率。而TENG器件結(jié)構(gòu)簡單、材料價格低廉，可以收集無規(guī)律、低頻率（< 2 Hz）海洋能，功率密度高，這一點是傳統(tǒng)電磁發(fā)電機無法相媲美的[12-16]。本方案所采用的是點頭鴨型摩擦納米發(fā)電機（nodding duck triboelectric nanogenerator, ND-TENG）作為能量輸出系統(tǒng)[17-21]。由此，深海無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以自身攜帶TENG電源、無需鋪設(shè)光電復(fù)合纜，從而可以大大降低費用成本，提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點覆蓋的范圍，深海觀測網(wǎng)可以走向更深遠的海。

1 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

采用的筏式波浪能轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，該裝置由2個對稱的浮力擺（亦稱左右筏體）、1個擺板主軸、4個擺板臂組成。浮力擺的擺板為空心的板狀體，且每個浮力擺的空腔內(nèi)裝有若干個ND-TENG，在每個浮力擺上安裝有2個擺板臂，擺板臂采用鉸連接。如圖2所示，筏式波浪能轉(zhuǎn)換裝置在無浪時浮力擺依靠浮力漂浮平行于海平面上，在波浪外力作用下，浮力擺可繞擺板主軸擺動；當有海浪時，兩邊筏體就會隨波上下擺動將波浪能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的機械能，ND-TENG吸收上述機械能轉(zhuǎn)化為電能。

ND-TENG的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，主要由殼體、軸承、軸和內(nèi)部多軌道獨立層式摩擦納米發(fā)電機（FR-TENG）單元組成。ND-TENG的殼體形狀主要參考愛丁堡點頭鴨模型，為了俘獲更多機械能，ND-TENG的殼體側(cè)面外觀形狀采用流線型的曲面。在ND-TENG內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，共有三層多軌道獨立層式摩擦納米發(fā)電機，每一層共用相同的電極和介電薄膜，以最大限度地利用內(nèi)部空間。為避免尼龍球在同一層內(nèi)的隨機運動，采用柵格對尼龍球進行定向運動。每個FR-TENG單元由固定在支撐弧面上的金屬Cu電極、復(fù)合介電薄膜（PDMS-PVDF composite film, PPCF）和尼龍球組成；在波的激勵下，尼龍球可以在軌道上定向自由滾動。復(fù)合介電薄膜是由聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）和聚偏氟乙烯（polyvinylidenefluoride, PVDF）納米顆粒制備而成。整個裝置固定于軸上，當筏體沖擊ND-TENG時，ND-TENG沿著軸擺動至傾斜位置，內(nèi)部的尼龍球隨之定向運動，當筏體恢復(fù)原來的位置時傾斜的ND-TENG會沿著軸回擺至初始位置。

圖1 筏式波浪能轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)圖

（a）波峰經(jīng)過時的狀態(tài) （b）波谷經(jīng)過時的狀態(tài)

圖3 ND-TENG結(jié)構(gòu)示意圖

ND-TENG的工作原理是基于摩擦起電和靜電感應(yīng)耦合，如圖4所示，在筏體觸發(fā)下，ND-TENG殼體繞軸旋轉(zhuǎn)，帶動尼龍球在弧形軌跡道上來回定向滾動。根據(jù)摩擦電荷親和性，尼龍球和PPCF在接觸帶電后分別帶正電荷和負電荷。當尼龍球向右滾動時，左電極呈現(xiàn)正電荷，右電極呈現(xiàn)等量負電荷，左右電極電勢差驅(qū)動電子從左電極向右電極流動產(chǎn)生感應(yīng)電流；當筏體經(jīng)過ND-TENG殼體后，類似于鐘擺運動，ND-TENG回擺至原始位置，尼龍球沿軌道原路徑返回至左電極，產(chǎn)生反向感應(yīng)電流；尼龍球在左右電極定向滾動時，兩個電極之間無電勢差產(chǎn)生，因此不能為電荷在外接負載上的流動提供任何驅(qū)動力，不產(chǎn)生感應(yīng)電流。筏體不斷激勵ND-TENG來回擺動，尼龍球沿軌道在兩電極之間定向往復(fù)滾動過程中，產(chǎn)生交變電流，將穩(wěn)定的機械能轉(zhuǎn)化為電能。

圖4 ND-TENG工作原理圖

2 裝置仿真分析

2.1 筏式波浪能轉(zhuǎn)換裝置

本設(shè)計中水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的假定工作地點為黃海沿岸海域。模型型深為0.7 m，吃水的調(diào)節(jié)通過添加配載實現(xiàn)。采用ANSYSWorkbench中的模態(tài)分析模塊進行仿真分析。

圖5為常用的三種波浪譜圖，圖中曲線表示不同波浪譜密度隨波浪頻率變化的趨勢，圖中波浪的周期在0.5 ～ 25 s之間，即0.04 ～ 2 Hz之間，而實驗中的波浪周期一般在2 ～ 4.5 s之間，筏式波浪能轉(zhuǎn)換裝置固有頻率與波浪頻率相差甚大，很難實現(xiàn)頻率共振。因此，通過施加壓載和改變裝置尺寸來模擬實現(xiàn)裝置俘獲最大波浪能的最優(yōu)策略。

圖5 常用的三種波浪譜

2.1.1 壓載吃水對各階固有頻率的影響

壓載吃水深度分別為0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m時筏體第一階至第十二階模態(tài)的固有頻率如圖6所示。從圖中可以看出，自由模態(tài)分析模型的第一階至第四階模態(tài)頻率等于零，其第五階至第六階接近于零，第七階至第十二階是研究對象實際的“懸浮”狀態(tài)下模型的固有頻率和第一階振型。

由圖6a可以看出，在吃水為0.4 m時波浪能轉(zhuǎn)換裝置的第一階固有頻率（即“第七階”）已經(jīng)達到2 371.1 Hz，根據(jù)圖5波浪譜可知，裝置在吃水為0.4 m情況下波浪能的俘獲效率較低。圖6b與圖6a相比，圖6b第七階模態(tài)固有頻率明顯下降，從2 371.1 Hz降到1 731.2 Hz，隨著吃水的增加，裝置的固有頻率逐漸下降，裝置俘獲波浪能的效率得到有效提高。通過圖6c明顯看出，當吃水為0.6 m時第七階固有頻率進一步下降到1 521.3 Hz，裝置俘獲波浪能的效率進一步提高。圖6d為最大吃水0.7 m時筏體第一階至第十二階模態(tài)的固有頻率，可以看出，當吃水為0.7 m時第七階固有頻率最終下降到1 347.1 Hz，與最小吃水0.4 m相比，雖然有了明顯的減小，但是仍與波浪頻率相差甚遠。

不同吃水深度下各階模態(tài)固有頻率分布情況如圖7所示，筏體的固有頻率隨著吃水的增加逐漸減小，筏式波浪能轉(zhuǎn)化裝置的能量俘獲得到有效提高；隨著振型階數(shù)的增加，模型的固有頻率逐漸增加，尤其從第七階開始，模型的固有頻率明顯增加。但是通過增加吃水降低固有頻率很難實現(xiàn)裝置固有頻率與波浪頻率共振，當筏體吃水為0.7 m即完全沒入水下時，筏體的固有頻率與波浪頻率相差幾個數(shù)量級，仍有較大差距。

圖6 吃水分別為0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m時各階模態(tài)

圖7 不同吃水下各階模態(tài)固有頻率分布情況

2.1.2 型長對各階固有頻率的影響

經(jīng)上述分析，通過增加吃水雖然可以一定程度上降低裝置固有頻率，但并不能很好實現(xiàn)裝置固有頻率與波浪頻率共頻。因此，通過實驗優(yōu)化筏體尺寸的方法實現(xiàn)筏體更接近波浪的頻率。

壓載吃水為0.7 m時，型長為350 m的各階模態(tài)固有頻率分布情況如圖8所示。可以看出，筏體第七階模態(tài)固有頻率減小至4.762 5 Hz，其數(shù)值比較接近波浪頻率值，筏體的固有頻率與波浪頻率達到共振，實現(xiàn)裝置最佳的能量捕獲。

圖8 型長為350 m時筏體的各階模態(tài)固有頻率

2.2 能量輸出系統(tǒng)裝置

利用COMSOL Multiphysics軟件模擬單個軌道FR-TENG在兩電極之間的電勢分布，結(jié)果如圖9所示。通過仿真模擬圖9可以清楚地看出Cu電極對之間的電位差，與工作原理相吻合。

圖10為不同尼龍球徑的ND-TENG電勢分布仿真分析結(jié)果。在保持殼體尺寸不變的情況下，選擇ND-TENG的最底層作為研究對象。從圖10可以看出，當尼龍球徑從10 mm增加到40 mm時，尼龍球數(shù)量從10個減少到2個，尼龍球所形成的電勢隨著尼龍球徑的增大逐漸增大，當尼龍球球徑為30 mm時，電勢達到最大值；當尼龍球徑較小時，電勢值較小，由于小球徑尼龍球所形成的電勢集中分布的區(qū)域較小，會使尼龍球軌道上的空間不能得到充分利用，因此在實驗中應(yīng)根據(jù)模型的尺寸，盡量選用較大的尼龍球徑。

圖9 ND-TENG理論電勢分布

圖10 不同尼龍球徑的ND-TENG電勢分布仿真圖

圖11為不同尼龍球徑的ND-TENG電勢分布圖，從圖中可以明顯地看出，隨著尼龍球球徑的增大，兩電極之間的電勢差先增大再減小，在球徑為30 mm時電勢差達到最大值，與電勢分布仿真圖（圖10）中得到的結(jié)果相吻合。

圖12為30 mm球徑尼龍球在軌道上不同滾動距離的電勢分布?？梢园l(fā)現(xiàn)，兩電極之間的電勢差隨著尼龍球滾動距離的增大逐漸增大。尼龍球滾動距離的增加，促使尼龍球與介電材料出現(xiàn)更大接觸面積的相對摩擦運動，產(chǎn)生更多的摩擦電荷，因此通過靜電感應(yīng)，在電極上感應(yīng)的電荷也逐漸增多。

圖13為在頻率為0.21 Hz、加速度為5 m/s2實驗條件下，ND-TENG與150 ～ 1 200 MΩ外部負載連接的輸出電流和瞬時功率密度圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著負載電阻從150 MΩ增加到1 200 MΩ，外部負載的電流呈減小趨勢，當外部負載電阻為770 MΩ時，可得到瞬時最大功率密度為3.7 W/m3，根據(jù)最大功率傳遞定理，可得到ND-TENG等效內(nèi)阻等于外部負載電阻。

此外，實驗利用最佳性能的ND-TENG搭建能量管理電路，如圖14，全橋整流器的能量管理電路用于處理電能輸出和存儲，通過應(yīng)用能量管理電路，ND-TENG提供的電力輸出足以點亮300個LED燈。

圖11 不同尼龍球徑的ND-TENG電勢分布

圖12 不同滾動距離的ND-TENG電勢分布

圖13 外部負載電阻范圍150 ～ 1 200 MΩ時，ND-TENG的輸出電流和瞬時功率密度

圖14 基于全橋整流器的能量管理電路

3 結(jié) 論

（1）對于筏式波浪能轉(zhuǎn)換裝置，增加裝置的吃水深度（增加壓載）可以降低裝置的固有頻率使其接近波浪的頻率，提高裝置俘獲波浪能的能力。當筏體吃水為型深0.7 m時，第七階模態(tài)固有頻率為1 347.1 Hz。

（2）對于筏式波浪能轉(zhuǎn)換裝置，優(yōu)化筏式波浪能轉(zhuǎn)換裝置尺寸可以實現(xiàn)裝置固有頻率與波浪頻率達到共振。當筏體型長為320 m時，第七階模態(tài)固有頻率為4.7625 Hz，與波浪頻率比較接近，筏體的固有頻率與波浪頻率達到共振，實現(xiàn)裝置最佳的能量俘獲。

（3）對于能量輸出系統(tǒng)，兩電極之間的電勢差隨著尼龍球徑的增大先增大再減小，在球徑30 mm時電勢差達到最大值；兩電極之間的電勢差隨著尼龍球滾動距離增大而逐漸增大；在外部負載電阻為770 MΩ時，可得到瞬時最大功率密度為3.7 W/m3。

綜上所述，本設(shè)計中的波浪能轉(zhuǎn)換裝置系統(tǒng)可以延長深海傳感器網(wǎng)絡(luò)工作時間，提高海底觀測網(wǎng)絡(luò)向深海發(fā)展的經(jīng)濟性，增大網(wǎng)絡(luò)布放的自由度。多個ND-TENG陣列在筏式波浪能轉(zhuǎn)換裝置中可以實現(xiàn)低頻機械能轉(zhuǎn)化為電能，擴大波浪能發(fā)電潛力，藍色能源在未來更有效地得到開發(fā)。

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Simulation Study of a Coupled System Based on Raft Wave Energy Conversion and Triboelectric Nanogenerator Energy Output

LIANG Na1,2, MIAO Cheng-xu1, CUI Hui1,2, WANG Jian-wei1, YANG Xi-ya2

(1. School of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, Shandong, China; 2. Institute of New Energy Technology, School of Information Science and Technology, JiNan University, Guangzhou 510632, China)

Developing marine energy conversion technology is a strategic requirement to optimize the energy structure and expand the space of “blue economy”. To this end, a coupled system based on raft-type device for wave energy conversion and nodding duck-type triboelectric nanogenerator for energy output was designed, and the parameters affecting the energy trapping characteristics of the raft device part of the system, such as ballast draft, raft size parameters, and parameters affecting the output potential distribution of the system, such as nylon ball diameter and rolling distance, were simulated and analyzed. The results showed that the intrinsic frequency of the device was reduced both by increasing the draft of the raft device (increasing ballast) and optimizing the size of the raft device to resonate with the wave frequency, thus the ability of the device to capture wave energy was improved. The potential difference between the two electrodes of the triboelectric nanogenerator showed a trend of increased and then decreased with the increase of the ball diameter of the nylon ball, and the potential difference reached the maximum value at the ball diameter of 30 mm. This potential difference also increased with the rolling distance of the nylon ball, and the maximum instantaneous power density of 3.7 W/m3was achieved when the external load resistance was 770 MΩ. Thus, when multiple triboelectric nanogenerators were arranged in the raft-type wave energy conversion device, it was possible to convert a large amount of low-frequency wave energy, which was not available in the ocean, into electrical energy to meet the power supply demand of the deep-sea sensor network. This greatly expands the power generation potential of wave energy and makes it possible to exploit blue energy more effectively in the future.

wave energy converter; triboelectric nanogenerator; structure design; wave energy harvesting

2095-560X（2022）03-0265-06

TK7；TM31

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2022.03.011

2022-01-07

2022-03-12

國家自然科學(xué)基金項目（62004083）；廣東省自然科學(xué)基金項目（2020A1515011123）

王建偉，E-mail：skd993920@sdust.edu.cn

梁 娜（1994-），女，碩士研究生，主要從事基于摩擦納米發(fā)電機波浪能發(fā)電等新能源研究。

王建偉（1972-），男，博士，副教授，主要從事可再生能源的開發(fā)與利用等方面的研究。