近日，美國太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室 (PNNL) 的研究人員開發(fā)了一種收集波浪能的不同尋常的方法，即圍繞摩擦起電效應(yīng)設(shè)計(jì)的輕輕滾動(dòng)的圓柱體。這種新型倍頻圓柱形摩擦納米發(fā)電機(jī) (FMC-TENG) 是一種將波浪能轉(zhuǎn)化為電能為海上設(shè)備供電的小型發(fā)電站。 該發(fā)電機(jī)的更大版本可用于為海洋觀測(cè)和通信系統(tǒng)提供動(dòng)力，包括聲學(xué)和衛(wèi)星遙測(cè)。
PNNL實(shí)驗(yàn)室研究員、新型圓柱形摩擦納米發(fā)電機(jī)的共同開發(fā)者Daniel Deng解釋說："TENG成本低、重量輕，并能有效地將緩慢、均勻或隨機(jī)的波浪轉(zhuǎn)化為電能，這使它們特別適合于為公海中的設(shè)備供電，因?yàn)槟抢锏谋O(jiān)測(cè)和訪問具有挑戰(zhàn)性且成本高昂。”
研究人員在倍頻圓柱形摩擦納米發(fā)電機(jī)中正是利用同樣的效應(yīng)來產(chǎn)生電力。圓柱形的摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)由兩個(gè)嵌套的圓柱體組成，內(nèi)圓柱體可自由旋轉(zhuǎn)。兩個(gè)圓柱體之間是人造毛皮條、鋁電極和一種類似于聚四氟乙烯的材料，稱為氟化乙烯丙烯(FEP)。當(dāng)摩擦納米發(fā)電機(jī)沿著海浪表面滾動(dòng)時(shí)，一個(gè)圓筒上的人造毛皮和鋁電極與另一個(gè)圓筒上的FEP材料發(fā)生摩擦，產(chǎn)生靜電，可以轉(zhuǎn)化為電能。
圓柱形TENG移動(dòng)得越多，它產(chǎn)生的能量就越多。這就是為什么快速、頻繁的海浪能比開闊海洋中上較慢、較均勻的海浪產(chǎn)生更多的能量。為了設(shè)計(jì)出一種可以在公海上為電子設(shè)備供電的TENG，鄧和他的團(tuán)隊(duì)開始著手增加FMC-TENG中轉(zhuǎn)化為電能的波浪能量的數(shù)量 。事實(shí)證明，關(guān)鍵是暫時(shí)阻止 FMC-TENG 的內(nèi)筒移動(dòng)。
圖說：磁力制動(dòng)系統(tǒng)采用慢波振蕩并將其轉(zhuǎn)化為兩個(gè)滾筒間的擺動(dòng)，從而放大摩擦電能輸出(來源：PNNL)
在FMC-TENG中，該團(tuán)隊(duì)放置了磁鐵以阻止設(shè)備中的內(nèi)圓柱旋轉(zhuǎn)，直到它到達(dá)波峰，使其能夠積聚越來越多的勢(shì)能。接近波峰時(shí)，磁鐵釋放，內(nèi)部圓柱體開始快速滾下波浪。更快的運(yùn)動(dòng)更有效地產(chǎn)生電力，從更慢的波產(chǎn)生更多的能量。
2公海波浪能轉(zhuǎn)換器
最初，研究人員對(duì) FMC-TENG 進(jìn)行了半解析建模，以從理論上驗(yàn)證 FMC-TENG 的有效性。然后，通過模擬海洋波浪運(yùn)動(dòng)的波浪運(yùn)動(dòng)模擬器與傳統(tǒng)的 C-TENG 進(jìn)行比較，評(píng)估了 C-TENG 的電氣特性。同時(shí)，研究人員在一個(gè) 12 m 長的水箱中對(duì)FMC-TENG 進(jìn)行了優(yōu)化，試驗(yàn)證明其在0.33 Hz的正弦波頻率下峰值功率密度可達(dá)到6.67 W/m 3。最后，研究人員使用 FMC-TENG 陣列演示了為聲發(fā)射器供電，證明了它可以為海洋觀測(cè)系統(tǒng)供電。
圖說：新型納米發(fā)電機(jī) FMC-TENG 利用公海的波浪能發(fā)電(來源：PNNL)
目前，F(xiàn)MC-TENG原型可以產(chǎn)生足夠的電力來運(yùn)行小型電子裝置，如溫度傳感器和聲學(xué)發(fā)射器。隨著研究團(tuán)隊(duì)對(duì)他們的設(shè)計(jì)進(jìn)行迭代以用于商業(yè)用途，F(xiàn)MC-TENG有望產(chǎn)生足夠的電力來運(yùn)行由多個(gè)傳感器和衛(wèi)星通信組成的整個(gè)開放海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)。此外，F(xiàn)MC-TENG很輕，可以用于自由漂浮的設(shè)備和停泊的平臺(tái)。
"FMC-TENG是獨(dú)一無二的，因?yàn)楹苌儆懈咝У?、能夠從低頻海浪中產(chǎn)生大量電力的波浪能轉(zhuǎn)換器，"Deng說 。"這種類型的發(fā)電機(jī)有可能為帶有傳感器陣列的集成浮標(biāo)提供動(dòng)力，以完全利用可再生海洋能源追蹤開闊水域、風(fēng)和氣候數(shù)據(jù)。"
海浪能具有豐富的儲(chǔ)量和可再生特性，是一種很有潛力而且可大規(guī)模開發(fā)利用的能源。自 2014 年以來，用于收集波浪能量的摩擦納米發(fā)電機(jī) (TENG) 得到了積極的開發(fā) 。新型倍頻圓柱形摩擦納米發(fā)電機(jī) (FMC-TENG)為高效的超低頻波能量收集提供了新的視野，并為人類利用海洋的藍(lán)色能量提供了新的可能性。
