基于柔性摩擦納米發電機的水下能量收集技術研究

劉翔宇,王巖,王昊,徐敏義

(大連海事大學 輪機工程學院 大連市海洋微納能源與自驅動系統重點實驗室,遼寧 大連,116026)

0 引言

海洋分布式傳感器網絡在海洋開發和保護中變得越來越重要。大量分布在海面、水下或海岸的傳感器實時監測各種海洋參數,包括波浪、潮汐、聲波、濁度、鹽度、酸堿度和壓力等[1-2]。迄今為止,這些傳感器以蓄電池供電為主,需要不斷地進行充電和更換,維修成本居高不下,因此人們考慮通過收集原位能量為海洋分布式傳感器供電。

實現分布式傳感器的原位供電是一項嚴峻的挑戰[3]。太陽能和風能等可再生能源已被用于為海上傳感器供電,但仍無法滿足大量水下傳感器的需求。作為海洋中的“原生”能源,波浪能、海流能更適合為大量分布的水下傳感器提供動力,因為它們具有廣泛的可用性和高密度的優點,且與太陽能或風能相比,數量級更高[4]。目前,采集水下能量的技術形式多種多樣,按照其發電原理,大致可分為電磁式、壓電式和摩擦電式及復合型方式[5-11]等。隨著海洋進入物聯網的大數據時代,壓電式、摩擦電式發電機成為水下能量采集新形式,在傳統電磁發電機的基礎上向更深更遠的海洋又邁進了一步。

2012 年,王中林院士等人發明了一種利用摩擦起電和靜電感應耦合的摩擦納米發電技術(triboelectric nanogenerator,TENG)，因其易于制備、成本低且能高效收集低頻能量的特點,現如今摩擦納米發電機已經被廣泛研究應用于收集海洋能量。在Wang 等[9]設計的一項全封閉摩擦納米波能轉換裝置的研究中,通過對材料和結構進行優化,低頻波浪能被轉換成電能并為發光二極管供電,同時將不同的超級電容器充電至額定電壓;Xu 等[12]提出了一種塔式摩擦納米發電機,從6 個自由度收集波浪能;Kim 等[13]展示了一種浮標形摩擦納米發電機(fabric-based TENG,FB-TENG),它可以在海況下有效地收集波浪能為傳感器供電;Xi 等[14]設計了一種用于收集藍色能量的多功能摩擦摩擦納米發電機用于收集波浪和水流能量;Xu 等[15]提出了一種耦合摩擦納米發電機網來有效地收集波浪能,該網絡基于優化的球殼結構單元,為大量收集海洋中的提供了一種有效方法。

截至目前,用于收集水下能量的摩擦納米發電機主要分成兩類,分別是收集波浪能和海流能,已經研制或在研的水下能量采集摩擦納米發電機具有結構簡單、成本低等特點,但多數摩擦納米發電機都是針對海洋表面的能量收集而設計的,為了收集更多的水下能量,文中結合前人研究基礎,設計了一種可集成于水面、水中和水下傳感器節點的柔性摩擦納米發電機（flexible TENG,F-TENG）,為實現海洋分布式傳感器自供能提供新的思路。

1 F-TENG 結構設計與工作原理

1.1 結構設計

如圖1 所示,F-TENG 由導電油墨覆蓋的聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene glycol terephthalate,PET)、導電油墨覆蓋的氟化乙烯丙烯共聚物(fluorinated ethylene propylene,FEP)和2 片聚四氟乙烯膜(poly tetra fluoroethylene,PTFE)制成,靈活的柔性結構使其能在水面、水中和水下實時將波浪能/海流能轉化成電能。

圖1 F-TENG 水下應用場景及器件實物圖Fig.1 The application and structure diagram of F-TENG

1.2 工作原理

F-TENG 在運動時電極與介電層接觸分離進行發電,為探究接觸分離的過程,首先建立以下坐標系。

由圖2 運動學坐標系,根據接觸分離式摩擦納米發電機工作原理,F-TENG 控制方程為

圖2 F-TENG 運動學坐標系Fig.2 The kinematics coordinate system of F-TENG

式中:VOC為開路電壓;C,Q為發電單元電容與轉移電荷;d,y(t),ε,S,σ分別表示電極的厚度、間隙的高度、介電常數、電極與介電材料的接觸面積以及電荷密度。

如圖3 所示,F-TENG 在波浪/海流激發下產生周期性振動,FEP 膜將定期與PET 膜接觸分離。在與涂有油墨的PET 接觸后,FEP 膜將帶負電。根據靜電感應的本質,當PET 的油墨電極與FEP 薄膜充分接觸時,等量的正電荷會出現在PET 上的油墨電極。隨著F-TENG 彎曲,電子通過外部電路從FEP上的油墨電極流到PET 上的油墨電極,產生瞬態電流。隨著FEP 和油墨電極分離,正電荷將流回上電極,于此實現由機械能到電能的能量轉換。

圖3 F-TENG 工作原理Fig.3 The working principle of F-TENG

1.3 電荷轉移及仿真分析

基于上述對F-TENG 工作原理的分析,文中利用基于有限元模擬的COMSOL 多物理場仿真軟件進一步計算2 種摩擦材料在不同狀態下的電勢分布。

圖4 為F-TENG 電勢分布圖,在圖中可以清楚地看到顏色劃分表明了2 個電極之間的電勢差。圖4(a)表明在FEP 和導電油墨2 個表面發生接觸之前,表面沒有電荷的轉移,所以整體電勢為0。在FEP 和導電油墨2 個表面接觸之后開始分離,圖4(b)～(c)分離間距最大并逐漸減小,圖4(d)開始往反方向運動。上述4 個過程的仿真結果表明,電勢分布的變化趨勢與F-TENG 發電原理一致。

圖4 F-TENG 仿真電勢分布圖Fig.4 The simulating potential distribution diagram of FTENG

2 運動特性分析

由于F-TENG 在水下振動模式為自激振動和受迫振動相耦合,因此在柔性薄膜的振動理論基礎上,結合線性電機試驗臺對F-TENG 的彎曲特性進行進一步探究。

2.1 動力學分析

由于F-TENG 在水下的振動模式為自激振動和受迫振動相耦合,因此F-TENG 可近似看成具有高拉伸剛度和低彎曲剛度的薄膜結構[6],因此建立振動模型如圖5 所示。

圖5 F-TENG 振動模型Fig.5 Vibration model of F-TENG

圖5 中F-TENG 的振動模型為懸臂梁模型,因此可由歐拉-伯努利梁等式來描述其動力學特性[6],即

2.2 振動特性分析

在海洋環境中,F-TENG 受到波浪、海流的激勵進行振動,因此在動力學模型的基礎上,分別對波浪和海流2 種場景進行仿真實驗,實驗裝置如圖6 所示。

如圖6 所示,采用線性電機實驗臺模擬波浪條件,實驗范圍為40～100 mm 振幅和0.25～1.25 Hz頻率;同時采用循環水槽實驗臺模擬海流條件,實驗流速范圍為0.133～0.511 m/s。為進一步分析振動特性,引入以下參數如表1 所示。

表1 F-TENG 振動特性實驗參數列表Table 1 Parameters in vibration experiment of F-TENG

圖6 F-TENG 在模擬波浪/海流條件下的實驗裝置圖Fig.6 The experimental apparatus of F-TENG under simulated wave/current conditions

基于圖7 和圖8 的振動狀態展示圖,進一步研究F-TENG 的振動特性。實驗探究發現,在波浪的條件下,斯特勞哈爾數St＜0.18 且長寬比從1 增加到2 時薄膜呈穩定狀態(圖9(a)區域A),隨著斯特勞哈爾數、長寬比的增大,薄膜出現1 階模態;當斯特勞哈爾數在0.4～1.2、長寬比在2.5～5 時,薄膜開始出現2 階模態(圖9(a)區域B、C)。

圖7 F-TENG 在波浪條件下的振動Fig.7 Vibration mode of F-TENG induced by wave

海流條件下,F-TENG 振動方式為自激振動。由于水中粘性力的存在,抑制其自激振動。為加快振幅、提高輸出特性,將圓柱形鈍體放于FTENG 前方(圖8)。通過尾流誘導的方式加快振動,同時引入無量綱參數D,D為圓柱鈍體的底面直徑,圓柱與F-TENG 的距離通過參數D表示。實驗探究發現,在海流的條件下,F-TENG 的臨界啟動流速隨著距離的增加幾乎保持不變;當F-TENG和圓柱鈍體的距離L超過 6D時振動幅度衰減。由圖9(b)可得,為保證更高的振動幅度,需把F-TENG和圓柱鈍體的距離控制在1 ～5D。

圖8 F-TENG 在海流條件下的振動Fig.8 Vibration mode of F-TENG induced by current

圖9 F-TENG 在波浪/海流條件下的振動特性圖Fig.9 The vibration characteristics of F-TENG induced by wave/ current

3 發電性能分析

在探究了F-TENG 的振動特性后,進一步研究其輸出性能。通過線性電極、循環水洞試驗臺模擬F-TENG 在不同波浪、海流條件下的發電性能。

3.1 波浪能收集

波浪條件下,F-TENG 振動方式為受迫振動,因此采用線性電機實驗臺模擬波浪條件,在40～100 mm 振幅和0.25～1.25 Hz 頻率下進行多組FTENG 并聯探究,分別得出上述條件下的輸出性能。實驗結果如圖10 所示。

圖10 F-TENG 在波浪條件下的輸出性能Fig.10 Output performance of F-TENG induced by wave

實驗數據表明,在40～100mm振幅和0.25～1.25 Hz 范圍內,隨著振幅、頻率的增加,F-TENG的輸出性能增加,單個F-TENG 在振幅100 mm、頻率1 Hz 情況下達到最大輸出性能,最大電壓可達24.8 V,輸出電流最大達2.6 μA;在多組并聯的條件下最大輸出功率達79.023 μW。

3.2 海流能收集

海流條件下,置于鈍體后方的F-TENG 振動方式為自激振動和尾誘振動相耦合。結合循環水槽,在0.133～0.511 m/s 的實驗流速下探究其在海流條件下的發電性能。

實驗結果(見圖11)表明,在0.133～0.511 m/s 的流速范圍內,F-TENG 輸出性能隨著流速的增加而增大。在外接負載的情況下,單個器件在流速為0.511 m/s 情況下達到最大輸出性能,最大輸出功率可達9 μW,多個F-TENG 并聯的輸出功率達到50 μW。

圖11 F-TENG 在海流條件下的輸出性能Fig.11 Output performance of F-TENG induced by current

4 結論

針對海洋分布式傳感器原位供電的問題,文中提出一種用于收集水下能量的柔性摩擦納米發電機F-TENG,通過COMSOL 軟件進行仿真并結合器件水下振動模型重點分析了F-TENG 在波浪和海流2 種不同狀態下的振動特性與輸出性能,得到如下結論:1) 在模擬波浪條件下,一定范圍內,隨著斯特勞哈爾數和長寬比的增加,F-TENG 的模態從穩定態變為2 階模態;2) 在模擬海流條件下,圓柱鈍體的存在加快了F-TENG 的振動,一定范圍內,F-TENG 的臨界啟動流速隨距離的增加幾乎保持不變;當F-TENG 和圓柱鈍體的距離超過一定范圍時振動幅度衰減;3) 在一定范圍內,F-TENG 的發電性能隨波浪的振幅和頻率的增加而增大,且多個發電單元功率隨并聯個數的增加而增大;4) 在一定范圍內,F-TENG 的發電性能隨流速增加而增大,且多個發電單元功率隨并聯個數的增加而增大。實驗表明,多個單元構成的F-TENG 系統在水下能有效采集低頻波浪、海流能量，具有巨大的應用前景。同時需要指出的是,目前F-TENG 尚處于實驗室研究階段,后續研究人員將進一步從材料、結構和電路管理等方面對發電機性能進行提升,并結合真實海洋環境條件下探究F-TENG 的耐用性和適用性;與此同時，結合應用實際邊界條件,對基于F-TENG 的水下供能系統布置以及效能優化進行深入研究。綜上,文中提出的一種柔性、低成本的F-TENG 為實現海洋分布式傳感器網絡的自驅動提供了新的思路。