近日，美國太平洋西北國家實驗室 (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設計的輕輕滾動的圓柱體。這種新型倍頻圓柱形摩擦納米發(fā)電機 (FMC-TENG) 是一種將波浪能轉化為電能為海上設備供電的小型發(fā)電站。 該發(fā)電機的更大版本可用于為海洋觀測和通信系統(tǒng)提供動力，包括聲學和衛(wèi)星遙測。
PNNL實驗室研究員、新型圓柱形摩擦納米發(fā)電機的共同開發(fā)者Daniel Deng解釋說："TENG成本低、重量輕，并能有效地將緩慢、均勻或隨機的波浪轉化為電能，這使它們特別適合于為公海中的設備供電，因為那里的監(jiān)測和訪問具有挑戰(zhàn)性且成本高昂。”
研究人員在倍頻圓柱形摩擦納米發(fā)電機中正是利用同樣的效應來產生電力。圓柱形的摩擦納米發(fā)電機(TENG)由兩個嵌套的圓柱體組成，內圓柱體可自由旋轉。兩個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)。當摩擦納米發(fā)電機沿著海浪表面滾動時，一個圓筒上的人造毛皮和鋁電極與另一個圓筒上的FEP材料發(fā)生摩擦，產生靜電，可以轉化為電能。
圓柱形TENG移動得越多，它產生的能量就越多。這就是為什么快速、頻繁的海浪能比開闊海洋中上較慢、較均勻的海浪產生更多的能量。為了設計出一種可以在公海上為電子設備供電的TENG，鄧和他的團隊開始著手增加FMC-TENG中轉化為電能的波浪能量的數(shù)量 。事實證明，關鍵是暫時阻止 FMC-TENG 的內筒移動。
圖說：磁力制動系統(tǒng)采用慢波振蕩并將其轉化為兩個滾筒間的擺動，從而放大摩擦電能輸出(來源：PNNL)
在FMC-TENG中，該團隊放置了磁鐵以阻止設備中的內圓柱旋轉，直到它到達波峰，使其能夠積聚越來越多的勢能。接近波峰時，磁鐵釋放，內部圓柱體開始快速滾下波浪。更快的運動更有效地產生電力，從更慢的波產生更多的能量。
2公海波浪能轉換器
最初，研究人員對 FMC-TENG 進行了半解析建模，以從理論上驗證 FMC-TENG 的有效性。然后，通過模擬海洋波浪運動的波浪運動模擬器與傳統(tǒng)的 C-TENG 進行比較，評估了 C-TENG 的電氣特性。同時，研究人員在一個 12 m 長的水箱中對FMC-TENG 進行了優(yōu)化，試驗證明其在0.33 Hz的正弦波頻率下峰值功率密度可達到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系統(tǒng)供電。
圖說：新型納米發(fā)電機 FMC-TENG 利用公海的波浪能發(fā)電(來源：PNNL)
目前，F(xiàn)MC-TENG原型可以產生足夠的電力來運行小型電子裝置，如溫度傳感器和聲學發(fā)射器。隨著研究團隊對他們的設計進行迭代以用于商業(yè)用途，F(xiàn)MC-TENG有望產生足夠的電力來運行由多個傳感器和衛(wèi)星通信組成的整個開放海洋監(jiān)測平臺。此外，F(xiàn)MC-TENG很輕，可以用于自由漂浮的設備和停泊的平臺。
"FMC-TENG是獨一無二的，因為很少有高效的、能夠從低頻海浪中產生大量電力的波浪能轉換器，"Deng說 。"這種類型的發(fā)電機有可能為帶有傳感器陣列的集成浮標提供動力，以完全利用可再生海洋能源追蹤開闊水域、風和氣候數(shù)據(jù)。"
海浪能具有豐富的儲量和可再生特性，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 (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 (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色能量提供了新的可能性。
