基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的波浪能發(fā)電技術(shù)研究進(jìn)展

鐘英豪，嚴(yán) 謹(jǐn)，梅納爾多，魏 斌

（1.廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.廣東海洋大學(xué)海洋工程學(xué)院，廣東湛江 524088；3.廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088）

為解決使用傳統(tǒng)化石能源帶來的環(huán)境污染、全球氣候變暖、能源枯竭等一系列問題，開發(fā)綠色能源、擴(kuò)大新型能源供給已成為世界共同目標(biāo)[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(fā)展的新對象，充分利用海洋可再生能源不僅能解決環(huán)境污染等問題，也可為深遠(yuǎn)海發(fā)展、增強(qiáng)國防力量和海洋強(qiáng)國建設(shè)提供強(qiáng)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(huán)境影響小、高品位及廣泛分布等特點(diǎn)[3]，成為海洋可再生能源研究和發(fā)展的焦點(diǎn)。傳統(tǒng)波浪能發(fā)電技術(shù)由于維護(hù)成本高、轉(zhuǎn)換效率低和轉(zhuǎn)換過程繁雜等缺點(diǎn)使其應(yīng)用范圍受限[4-5]。而基于摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric Nanog enerator，TENG）的新型波浪能發(fā)電技術(shù)因成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單和易制造等優(yōu)點(diǎn)受到重點(diǎn)關(guān)注。本文介紹了基于TENG 的新型波浪能發(fā)電技術(shù)基本原理、工作模式，以及當(dāng)今TENG 在波浪能發(fā)電領(lǐng)域研究現(xiàn)狀，最后總結(jié)了該技術(shù)目前存在問題與挑戰(zhàn)，并根據(jù)當(dāng)前一些實(shí)例提出未來研究趨勢。

1 摩擦納米發(fā)電機(jī)基本原理

2012 年，佐治亞理工學(xué)院王中林教授等人提出摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG），通過結(jié)合摩擦起電和靜電感應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)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(yōu)點(diǎn)，利用TENG 進(jìn)行能量采集及自供能監(jiān)測的研究者越來越多[8-11]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的利用電磁感應(yīng)發(fā)電對比，TENG對于收集低頻能量（小于5 Hz）具有明顯的優(yōu)勢[12-14]。因此，利用TENG 收集低頻、無規(guī)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(dá)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(shù)。

對于各向同性介質(zhì)來說，P=（ε-ε0）E，D=εE，ε是電介質(zhì)的介電常數(shù)。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(dú)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(jìn)行發(fā)電的，由于兩種介電薄膜在摩擦電序列里的位置不同、電負(fù)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(dāng)兩個介電薄膜分離時兩者間會產(chǎn)生感應(yīng)電勢差，若將背部的金屬電極通過負(fù)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(dǎo)致外部電路產(chǎn)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(fù)載與一個電極連接，負(fù)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(yīng)會導(dǎo)致此種工作模式下的電子轉(zhuǎn)移效率較低。此外，如圖1（d）所示，獨(dú)立層模式基本結(jié)構(gòu)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(dāng)施加一個外界激勵使自由介電薄膜層從與左側(cè)電極接觸到與右側(cè)電極接觸時，兩個電極間會產(chǎn)生不均勻電荷導(dǎo)致兩者間出現(xiàn)電勢差，為了平衡電勢差，電子將右電極流向左電極，當(dāng)介電薄膜層從與右側(cè)電極接觸回到與左側(cè)電極接觸時，電子發(fā)生回流。因此，通過介電薄膜在兩電極間的往復(fù)移動可以產(chǎn)生交流電輸出。獨(dú)立層模式不局限于連接負(fù)載的兩電極需鍍在相對運(yùn)動器件上，不僅方便了器件的設(shè)計，同時還不會受到單電極模式下靜電屏蔽效應(yīng)的干擾，所以擁有較高的能量轉(zhuǎn)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(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀

利用TENG 進(jìn)行波浪能發(fā)電不僅可以為海上傳感器網(wǎng)絡(luò)提供能源供給，還能通過不同結(jié)構(gòu)設(shè)計與自身機(jī)理結(jié)合使其成為自供能傳感器。所以，基于TENG 的波浪能采集技術(shù)已經(jīng)成為一大熱點(diǎn)。目前，利用TENG 進(jìn)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(zhuǎn)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(chǎn)生電勢差，兩電極通過負(fù)載連接，由于電勢差的存在驅(qū)使電子流動于負(fù)載通路，從而產(chǎn)生電能。此液固TENG 在周期性接觸分離下，所產(chǎn)電能可以給33 μF 的電容器充電，并有效點(diǎn)亮60 個發(fā)光二極管。2018 年，LI X 等[21]設(shè)計了類似浮標(biāo)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(zhuǎn)運(yùn)動）中獲取能量。并通過形成網(wǎng)絡(luò)可達(dá)到290 μA，16 725 nC，300 V 的電輸出，可驅(qū)動一個射頻發(fā)射器、點(diǎn)亮上百個發(fā)光二極管，以及為無線SOS 系統(tǒng)供電使其發(fā)出海洋緊急信號。為避免大規(guī)模收集波浪能時傳輸線受海水侵蝕，以及在TENG 單元內(nèi)纏結(jié)的問題，LIU G 等[22]于2020 年設(shè)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(wǎng)絡(luò)（圖2（d）），電力電纜內(nèi)部的鋼帶不僅作為結(jié)構(gòu)骨架，還充當(dāng)電極的作用。通過實(shí)驗(yàn)分析可知單根電纜在一個周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)了34 V 的最大開路電壓和25 nC 的轉(zhuǎn)移電荷量。由于TENG 的新穎工作機(jī)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(huán)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(jié)構(gòu)。目前為止，已經(jīng)報道用于收集波浪能的全封閉TENG 結(jié)構(gòu)種類有很多，如滾動結(jié)構(gòu)[25-32]、波狀電極結(jié)構(gòu)[33-34]、空氣驅(qū)動膜結(jié)構(gòu)[35]等。

3.2.1 滾動結(jié)構(gòu)

WANG X 等[25]于2015 年設(shè)計了一個用于收集波浪能的獨(dú)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(nèi)殼涂有聚酰亞胺薄膜的球內(nèi)，通過材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，直徑為6 cm 的RF-TENG 在水波驅(qū)動下可以提供1 μA 的短路電流，瞬時輸出功率可達(dá)10 mW。由于獨(dú)立式TENG 出色的電荷轉(zhuǎn)移效率和較少摩擦的滾動結(jié)構(gòu)，這種TENG 裝置的性能能夠在26.5%的占空比下直接驅(qū)動70 多個發(fā)光二極管和商用溫度計。CHENG P 等[26]通過優(yōu)化材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計，將傳統(tǒng)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(tǒng)TENG 增加了10 倍。除此之外，RODRIGUES C 等[27]于2021 年開發(fā)了3 種基于滾動球體的TENG 系統(tǒng)，通過定標(biāo)導(dǎo)航浮標(biāo)內(nèi)的真實(shí)海況下的大尺度波浪水槽實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)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(biāo)的全部動態(tài)，而不僅僅是TENG 的動態(tài)。

圖3 全封閉式TENG

3.2.2 波狀電極結(jié)構(gòu)

WEN X 等[33]于2014 年發(fā)明了一種基于波狀結(jié)構(gòu)的TENG（圖3（c）），將銅-聚酰亞胺-銅膜夾在兩個扁平的納米結(jié)構(gòu)聚四氟乙烯膜之間，利用摩擦起電效應(yīng)轉(zhuǎn)化能量。作者研究了不同攪拌方式來觸發(fā)全包裝的TENG，通過分析輸出信號及其相應(yīng)的傅立葉變換頻譜，3 種攪動方法被相互區(qū)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(jié)構(gòu)正十二面摩擦納米發(fā)電機(jī)（WS-TENGs）（圖3（d））。該裝置通過波浪驅(qū)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(yōu)于傳統(tǒng)水波能量收集的有效方法。

3.2.3 空氣驅(qū)動膜結(jié)構(gòu)

XU L 等[35]于2017 年通過設(shè)計新穎的彈簧懸浮振蕩器結(jié)構(gòu)研發(fā)了一種基于空氣驅(qū)動膜結(jié)構(gòu)的集成摩擦電納米發(fā)電機(jī)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(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)移電荷、187 μA 的短路電流，以及13.23 W/m3的優(yōu)化峰值功率密度，因此可以在真實(shí)的水波中同時點(diǎn)亮600 個發(fā)光二極管，由于彈簧懸浮振蕩器結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計和利用空氣壓力傳遞和分配收集的水波能量的機(jī)制，該器件可以輕松地將大規(guī)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(zhuǎn)式TENG

JIANG T 等[36]于2020 年設(shè)計了一種用于超低頻水波能量收集的高能量轉(zhuǎn)換效率搖擺結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī)（SS-TENG）（圖4（a））。通過氣隙和柔性介電刷的設(shè)計使摩擦阻力最小化，摩擦電荷可持續(xù)，從而提高了魯棒性和耐用性。實(shí)驗(yàn)顯示，在電機(jī)參數(shù)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(fā)下實(shí)現(xiàn)最長88 s 的擺動時間，并表現(xiàn)出優(yōu)異的耐用性。圖4（b）和圖4（c）顯示出在波浪的驅(qū)動下，SS-TENG 產(chǎn)生的電量儲存在電容器后成功驅(qū)動數(shù)字溫度計。圖4（d）和圖4（e）顯示出在波浪的驅(qū)動下，SS-TENG 產(chǎn)生的電量儲存在電容器后為無線發(fā)射器供電，該發(fā)射器通過向接收器發(fā)生信號并成功開啟警報。實(shí)驗(yàn)證明了SS-TENG在自供電溫度傳感和藍(lán)色能源環(huán)境監(jiān)測中的潛在應(yīng)用。

圖4 磁盤旋轉(zhuǎn)式TENG

3.4 混合式TENG

海洋技術(shù)的發(fā)展要求能量收集裝置能夠在低頻的情況下對波浪能進(jìn)行高效的采集。多項(xiàng)研究顯示，集成多種能量采集技術(shù)進(jìn)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(fā)電機(jī)和自供電無線傳感節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)（圖5（a））。該裝置物理設(shè)計上利用無序擺工作頻率低、機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)，在水波激勵條件下，納米發(fā)電機(jī)的最大輸出功率可達(dá)到15.21 μW，EMG最大輸出功率可達(dá)1.23 mW（圖5（b）和圖5（c）所示）。此外，混合納米發(fā)電機(jī)可以為浮標(biāo)上的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳感節(jié)點(diǎn)供電，自供電發(fā)送端將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)交?。作者認(rèn)為，該研究為收集藍(lán)色能量提供了創(chuàng)新有效的方法，也為航空航天和工業(yè)提供了新的方向。FENG Y 等[38]于2021 年設(shè)計了一種包含軟接觸圓柱摩擦電納米發(fā)電機(jī)和擺動式電磁發(fā)電機(jī)的混合納米發(fā)電機(jī)（圖5（d））。通過引入柔性兔毛制成的電刷來分離定轉(zhuǎn)子對（圖5（e）），使其具有向介質(zhì)表面泵送電荷的功能，從而降低運(yùn)行電阻，提高器件的耐久性。經(jīng)優(yōu)化后的混合納米發(fā)電機(jī)在0.1 Hz 的水波攪動下表現(xiàn)出最佳的輸出響應(yīng)，產(chǎn)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(fā)電技術(shù)存在問題與研究趨勢

為了達(dá)到智慧經(jīng)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(tǒng)波浪能發(fā)電技術(shù)往往具有維護(hù)成本高、結(jié)構(gòu)笨重和轉(zhuǎn)換效率低等缺點(diǎn)，并且大多數(shù)只能傳輸給大型電網(wǎng)，難以對海洋裝備和平臺進(jìn)行直接供電，而采用電池供電又存在維護(hù)成本高和續(xù)航能力差等問題。對比采用電磁發(fā)電的傳統(tǒng)波浪能發(fā)電技術(shù)，由于TENG 能在低頻低振幅的情況下轉(zhuǎn)換效率高，可以提供高功率輸出，并且可持續(xù)高效運(yùn)行，從而大大降低運(yùn)行維護(hù)成本[13-14]。因此，在這種情況下，基于TENG 的波浪能發(fā)電技術(shù)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(fā)電機(jī)進(jìn)行大型供電，而是作為對其的一種補(bǔ)充，以解決海上設(shè)備及傳感器的能源供應(yīng)。該技術(shù)是一種新型發(fā)電技術(shù)，要發(fā)展成熟及走向?qū)嶋H應(yīng)用依然存在著許多亟待解決的問題和挑戰(zhàn)。針對這些問題，該領(lǐng)域未來研究趨勢主要表現(xiàn)以下幾個方面。

4.1 電源電路管理優(yōu)化

目前利用TENG 發(fā)電大部分產(chǎn)生的都是交流電，而海上設(shè)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(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)對其進(jìn)行供電，所需要的整流橋的數(shù)量也會較為龐大，這無疑增加了電源電路傳輸?shù)膹?fù)雜性和空間占據(jù)的局限性。為此，電源電路管理優(yōu)化對于基于TENG 的波浪能發(fā)電技術(shù)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(yīng)設(shè)計了一種滾動模式下的直流TENG，首次在滾動模式下實(shí)現(xiàn)了恒流輸出。若將該方法運(yùn)用到波浪能發(fā)電，無疑是電源電路管理優(yōu)化的一種極佳方法。不通過復(fù)雜的整流橋使TENG 產(chǎn)生直流的方法一般有3 種，分別是機(jī)械整流、相位控制和介電擊穿，將TENG 產(chǎn)生直流的方法運(yùn)用在波浪能發(fā)電技術(shù)將會是電源電路管理優(yōu)化的一個突破口。

4.2 多能利用復(fù)合結(jié)構(gòu)的研究

多能綜合利用是能量收集研究的重要方向。海洋環(huán)境復(fù)雜多樣，海洋平臺或浮標(biāo)往往會集成各種海上設(shè)備與傳感器等電子系統(tǒng)，用于對海洋氣象監(jiān)測、信號傳輸、安全監(jiān)測和導(dǎo)航等，它們一般只通過太陽能發(fā)電對電池組進(jìn)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(huán)境能量多種多樣，比如波浪能、雨滴能、風(fēng)能和太陽能。目前，大部分研究者只對單獨(dú)收集波浪能的結(jié)構(gòu)與技術(shù)進(jìn)行了研究，若能通過集成復(fù)合機(jī)構(gòu)對多種能量進(jìn)行同時收集利用，不僅有利于發(fā)電系統(tǒng)的一體化集成，還大大提高了單位面積的能量轉(zhuǎn)化效率。例如，SHAO H 等[46]結(jié)合摩擦納米發(fā)電機(jī)和電磁發(fā)電機(jī)設(shè)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(shí)驗(yàn)證明可以作為直接驅(qū)動發(fā)光二極管或給儲能裝置充電的實(shí)用電源。為了適應(yīng)環(huán)境多樣化，集成復(fù)合機(jī)構(gòu)同時收集多種能量有利于產(chǎn)生更高的輸出性能，同時也能提高空間利用率，實(shí)現(xiàn)能量采集結(jié)構(gòu)與供能一體化目標(biāo)。

4.3 自驅(qū)動傳感的研究

波浪傳感器一般可以監(jiān)測波高、波周期和波向等參數(shù)，監(jiān)測波浪對于海洋資源利用、海上安全和海洋災(zāi)害預(yù)警尤為重要?，F(xiàn)如今的波浪傳感器往往通過電池供能，因此具有續(xù)航能力差和維護(hù)成本高等缺點(diǎn)。而當(dāng)前大部分收集波浪能的TENG 研究都是通過波浪能發(fā)電從而給相關(guān)傳感器供電，若能合理利用TENG 發(fā)電的特色，即其所產(chǎn)生的電信號與自身參數(shù)或運(yùn)動往往具有一定的關(guān)系（如線性關(guān)系），則可通過研究內(nèi)部結(jié)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律與波浪之間的關(guān)系，得出產(chǎn)生的電信號與波浪之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)測波浪的各項(xiàng)參數(shù)并實(shí)現(xiàn)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(nèi)的波高，通過在波浪水槽中實(shí)驗(yàn)成功用于實(shí)時監(jiān)測模擬海洋平臺周圍的波浪，這種新型自驅(qū)動波浪傳感器可以為智能船舶設(shè)備提供一種監(jiān)測波浪的替代方案。不僅僅是波浪參數(shù)，其余海洋參數(shù)的自供能監(jiān)測同樣可以用摩擦納米發(fā)電技術(shù)完成。實(shí)現(xiàn)自驅(qū)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(qū)動傳感器的研究將是未來一大發(fā)展趨勢。

4.4 發(fā)電裝置的穩(wěn)定性和耐久性

利用TENG 的波浪能收集裝置使用壽命和穩(wěn)定性一直是人們擔(dān)心的問題。TENG 發(fā)電過程往往是通過內(nèi)部不同摩擦材料的反復(fù)接觸分離，時間久了材料必然會產(chǎn)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(fā)電過程中不斷對發(fā)電裝置外部進(jìn)行沖擊，以及海水成分的不確定性，對發(fā)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(jié)構(gòu)設(shè)計提高發(fā)電裝置穩(wěn)定性和耐久性，成為基于TENG 的波浪能發(fā)電技術(shù)亟待解決的問題。中國海洋大學(xué)的ZHAO B 等[48]于2021 年提出了一種基于摩擦—電磁復(fù)合發(fā)電技術(shù)的高性能、高耐久點(diǎn)吸收波浪能發(fā)電裝置。該裝置通過多層軟刷毛結(jié)構(gòu)顯著提高了TENG 的輸出性能和耐久性，并利用單向傳動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的持續(xù)、高性能輸出。為實(shí)現(xiàn)TENG 在海浪能量采集中的大規(guī)模應(yīng)用，穩(wěn)定性強(qiáng)和高耐久對于研究基于TENG 波浪能發(fā)電技術(shù)的研究者們必須考慮的重要因素。

4.5 TENG 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

單個TENG 波浪能發(fā)電裝置產(chǎn)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(jié)構(gòu)和遼闊的海面，可以將多個TENG 通過組合形成網(wǎng)絡(luò)放置于海面，這樣即使在小范圍內(nèi)，TENG 網(wǎng)絡(luò)也能為廣泛分布的傳感器網(wǎng)絡(luò)供電，甚至為當(dāng)?shù)匕l(fā)電廠或電網(wǎng)提供有用的電能。利用TENG 網(wǎng)絡(luò)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(guī)模實(shí)際應(yīng)用仍然存在許多挑戰(zhàn)，一是上面提到的裝置耐久性，海水與陽光可能導(dǎo)致裝置外部材料降解，以及風(fēng)暴可能使各TENG 單元連接結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞。二是需要考慮網(wǎng)絡(luò)的位置與大小，以盡量減少對公眾、海洋生物和航運(yùn)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(wǎng)絡(luò)，用于對波浪能收集。該裝置通過自適應(yīng)磁關(guān)節(jié)來實(shí)現(xiàn)自組裝，在磁極的自適應(yīng)機(jī)制和自由度的各向異性限制下工作，具有自我修復(fù)破裂和輕松重新配置的能力，大大增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的自主性和機(jī)械魯棒性，便于大規(guī)模制造和維護(hù)。為滿足日益增長的能源需求，克服TENG 網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)與困難，研究大規(guī)模TENG 網(wǎng)絡(luò)在海洋中的實(shí)際應(yīng)用有非常大的價值與前景。

5 結(jié) 論

本文綜述了基于TENG 的波浪能發(fā)電技術(shù)的工作原理、工作模式和研究現(xiàn)狀，得出利用不同結(jié)構(gòu)TENG 收集波浪能擁有不同的輸出性能和應(yīng)用范圍，并提出了該技術(shù)目前存在的一些問題，如因TENG產(chǎn)生的是交流電導(dǎo)致電源電路的復(fù)雜性和空間利用的局限性大大增加；大部分TENG 結(jié)構(gòu)只適合單一能量收集；缺乏對海洋參數(shù)的自驅(qū)動傳感研究；因大部分TENG 通過摩擦材料接觸分離方式發(fā)電導(dǎo)致發(fā)電裝置的穩(wěn)定性較差與壽命較短，以及組成TENG 網(wǎng)絡(luò)仍舊面臨許多挑戰(zhàn)與困難等。

結(jié)合當(dāng)前一些研究案例提出了該技術(shù)未來的研究趨勢，如將直流TENG 運(yùn)用到波浪能發(fā)電從而進(jìn)行電源電路管理優(yōu)化；對多能利用復(fù)合結(jié)構(gòu)的研究；對海洋參數(shù)自驅(qū)動傳感的研究；利用不同結(jié)構(gòu)和材料提升裝置穩(wěn)定性和耐久性，以及對大規(guī)模TENG 網(wǎng)絡(luò)的探究。在當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)時代背景和大力開發(fā)利用新能源趨勢下，基于TENG 的波浪能發(fā)電技術(shù)無疑是極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦桶l(fā)電技術(shù)，隨著該技術(shù)的日益成熟，相信構(gòu)建TENG 網(wǎng)絡(luò)有望成為實(shí)現(xiàn)藍(lán)色能量夢的可行途徑。