基于摩擦纳米发电机的波浪能高效转换机理研究

The complicated ocean environment and limited battery capacity makes marine monitoring devices such as underwater vehicles, beacon lights and buoys face great power supply challenges. It is urgent to research advanced ocean energy harvesting technologies to realize self-powering of monitoring equipment. In order to overcome the limitation of conventional energy conversion device that it is difficult to capture irregular waves, this project intends to study the new wave energy triboelectric nanogenerator (WE-TENG) to realize the high efficient conversion of wave energy to electric energy. Therefore, the project builds the kinetic model of WE-TENG floating body and internal inertial ball, studies the influence of wave conditions on different motion forms of the floating body and reveal the law of the forced vibration of the inertial ball. Then, the project establishes WE-TENG power generation model, and studies wave conditions, dielectric materials, surface micro-nano structure, electrode distribution and other factors on the WE-TENG power generation performance. Further, based on the establishment of WE-TENG multidimensional optimization model, the project designs optimization algorithm and operates system optimization. At last, the WE- TENG power generation performance is tested under actual wave conditions, in order to further optimize the WE-TENG device to provide guidance. The project involves multidisciplinary research, and the research results are of great significance to develop the theory of wave energy-efficient conversion and enhance the life-span of marine monitoring equipment.

复杂的海洋环境及有限的电池容量使水下航行器、航标灯、浮标等海洋监测设备面临巨大供电挑战。亟需研究先进海洋能采集技术，实现监测设备的能量自供给。为突破传统能量转换装置难以捕捉不规则波浪运动的局限性，本项目拟研究新型波浪能摩擦纳米发电机(WE-TENG)，实现波浪能向电能的高效转换。为此，本项目建立WE-TENG浮体及内部惯性球的动力学模型，研究波浪条件对浮体不同运动形式的影响，掌握惯性球受迫振动规律；建立WE-TENG发电模型，采用浮体运动平台研究波浪条件、介电材料、表面微纳结构、电极分布等因素对WE-TENG发电性能影响，阐明其高效发电机理；建立WE-TENG的多维优化模型，设计优化算法并开展系统寻优；测试实际波浪条件下的WE-TENG发电性能，为进一步优化WE-TENG提供指导。本项目研究内容涉及多学科交叉，研究成果对丰富波浪能高效转换理论，提升海洋监测设备的续航能力具有重要意义。

在“碳达峰、碳中和”的背景下，发展波浪能捕获技术具有广阔应用前景，将为“双碳”目标下的新时代能源供给提供有力支撑。针对传统能量转换装置难以捕捉不规则波浪运动的局限性，本项目基于摩擦纳米发电原理构建了新型波浪能捕获装置，实现了高熵波浪能向电能的高效转换。项目首先开展了波浪能摩擦纳米发电装置构型设计研究，创新性地提出了塔式结构摩擦纳米发电机，能将海洋中低频且多方向的波浪运动产生的机械能高效地转换成电能。建立了浮体内部发电单元与外界波浪的流-机-电耦合模型，分析了发电单元惯性球的数目、大小、介电层材料、浮体运动频率、振幅、来流方向和发电单元数目等因素对波浪能摩擦纳米发电性能的影响规律。随着发电单元并联数量增加，其功率密度可从1.03W/m3增加到10.6W/m3。在此基础上，项目通过不断优化构型设计，提出了仿三明治结构波浪能摩擦纳米发电机，其功率密度可达34.65W/m3；还提出了仿海草型柔性摩擦纳米发电机，并系统研究了其在不同波浪条件下的模态特征和输出性能，具有低成本、强适应性、高稳定性等优势，在海洋物联网节点供电领域具有广阔应用前景。此外，项目基于研究过程中的新发现，还开展了基于摩擦纳米发电的振动与流动能量捕获、海洋环境自驱动感知等拓展性研究，丰富了项目研究成果，为后续研究奠定基础。相关研究成果在ACS Nano、Applied Energy、Nano Energy、Ocean Engineering等期刊发表SCI论文26篇，其中影响因子10以上论文18篇，ESI高被引论文2篇，入选交通运输部年度重大创新成果1篇。申请国家发明专利7项，其中荣获第二十四届全国发明展览会发明创业奖项目奖银奖1项。培养博士毕业生2人，硕士毕业生5人，其中校优秀博士论文1篇，省优秀硕士论文2篇。