研究背景

波浪能取之不尽，用之不竭，是最具有前景的绿色能源之一，开发利用波浪能也日益成为了工业界和学术界的研究热点。波浪的超低频、强随机和波高不规则等特性，以及苛刻的海洋环境，对波浪能发电装置的研发提出了巨大挑战。传统基于电磁发电技术(EMG)的波浪能发电装置，存在制造成本高、结构笨重、易腐蚀、低频低能等问题，限制了其商业化应用。新兴摩擦纳米发电机（TENG）具有重量轻、材料来源广泛、成本低、低频高效等优点，在波浪能收集领域展现了出了诸多优势。近年来，国内外学者在基于TENG的波浪能发电领域进行了大量的尝试，也取得了很大的进展,但在提高TENG的输出性能和耐久性方面，还存在很大的挑战。因此，为了实现TENG在海浪能量采集中的大规模实际应用，亟需提出一种高性能、高耐久、环境适应能力强的波浪能发电装置。


成果简介

近日，中国海洋大学工程学院赵波副教授课题组提出了一种基于摩擦-电磁复合发电技术的点吸收式波浪能发电装置。该装置包含一个垂荡浮子、一个单向传动机构和一个全封闭磁耦合摩擦电-电磁复合发电机。其中，复合发电机采用了多层结构来提高装置的空间利用率，而采用的软刷毛结构可以显著提高发电机的发电性能和耐久性。单向传动机构有齿轮系统和带传动组成，可以将波浪的随机、低频的单次激励转换成发电机定子的单向旋转，同时对发电机进行加速，实现发电机的持续、高性能输出。此外，磁耦合驱动方法易于实现TENG与EMG的复合，且与外部完全隔离，以确保发电机的输出性能稳定性和环境适应性。本研究对刷毛的长度和密度进行了优化，并开展了发电性能的耐久性测试。在300
rpm的转速下， TENG 和EMG分别具有48 mW 和20 mW的峰值输出功率，且在324,000持续工作后，TENG仍然具有106 μA

的短路电流，证明了装置的高效性和耐久性。最后，开展了波浪水池实验，通过结合电源管理模块，实现了为商用蓝牙温湿度传感器供能和数据的无线传输。本研究工作为大规模的波浪能手机提供了一种新方案，为实现自供电海洋监测提供了新思路。相关内容以“A
heaving point absorber-based ocean wave energy convertor hybridizing a
multilayered soft-brush cylindrical triboelectric generator and an
electromagnetic generator”为题发表在纳米能源类顶级期刊《Nano energy》上。赵波副教授为本文章的第一作者和通讯作者，张保成教授为共同通讯作者，中国海洋大学工程学院为论文第一作者单位和通讯作者单位。

图文导读

图1.点吸收式波浪能发电装置的结构、应用和机理图：（a）基于垂荡点吸收式的波浪能发电装置及其在波浪能量收集中的应用示意图；（b）混合发电机的总体结构；（c）传动机构和浮子的总体结构，插图是齿轮齿条传动机构部件的放大图；（d）传动机构的工作原理；（e）制作完成的装置照片。

图2.摩擦-电磁复合发电机结构：（a）摩擦-电磁复合发电机详细结构图；（b）定子内部；（c）带多层刷毛的转子；（d）转子上磁性联轴器的一部分；（e）盖Ⅱ上自制的铜线圈；（f）带有驱动轴、定位轴和驱动板的3D打印支架，插图分别是键槽约束和带有三叉齿形的定位轴。

图3.旋转电机驱动的摩擦-电磁复合发电机的电输出性能：（a）摩擦-电磁复合发电机的等效电路；（b）TENG和（c）EMG在不同转速下的电输出性能；（d）TENG和（e）EMG的输出功率和产生电流对负载电阻的依懒性；（f）不同转速下， TENG和EMG的功率比。

图4. 摩擦-电磁复合发电机的充电性能和耐久性：（a）TENG、EMG和复合发电机在300 rpm转速下对1000 μF电容器的充电性能；（b）复合发电机在300 rpm下对不同电容器的充电性能；（c）复合发电机在不同转速下对1000 μF电容器的充电性能；（d）在经过324,000个周期连续测量下，封装和未封装TENG的峰值整流短路电流的变化，插图分别是初始状态（绿线）、封装外壳最终状态（红线）和未封装外壳最终状态（蓝色）下的整流短路电流；（e）在324,000次连续循环试验之前（Ⅰ）和之后（Ⅱ）的PTFE膜表面的SEM图像。

图5.点吸收式波浪能发电装置的波浪水池实验装置(波高：16 cm，频率：0.8 Hz)及性能：（a）波浪水池实验装置；（b）TENG的开路电压和整流短路电流；（c）EMG的开路电压和整流短路电流；（d）结合电源管理模块对温湿度蓝牙传感器供电时，4.7mF电容器的电压变化情况；（e）波浪能发电装置通过电源管理模块对温湿度蓝牙传感器供电；（f）波浪水池实验中成功点亮10,080 LED；（g）波浪能发电装置阵列用于实现自供电海洋浮子的设想。