基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的海洋波浪能收集系統(tǒng)＊

郭昌鑫，萬穎蕾，張彩銀，陳公興，周衛(wèi)星

（廣州理工學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，廣東 廣州510540）

1 引言

目前，國內(nèi)外對于海上清潔能源的收集主要有風(fēng)能、潮汐能、溫差能等，而國內(nèi)海上風(fēng)力發(fā)電裝置仍主要采用底座式，即需要把發(fā)電機(jī)底部的支撐裝置打入海底，但隨著所處海域深度增加，風(fēng)機(jī)底座受到潮流的動(dòng)荷載也越大、受海水腐蝕的程度也會加深；而國外更趨向于浮式的海上風(fēng)力發(fā)電發(fā)展（類似于海上石油鉆井平臺），優(yōu)點(diǎn)是浮式裝置不受海底深度的影響，其缺點(diǎn)是易受風(fēng)浪的影響而大幅搖晃。對于波浪能，其具有能量密度高、分布面廣等優(yōu)點(diǎn)，是一種取之不盡的可再生清潔能源，傳統(tǒng)上是利用波能轉(zhuǎn)換器將波浪能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再由機(jī)械能裝換成電能，對于無法從大陸直接獲取電能的遠(yuǎn)洋群島，大規(guī)模開發(fā)波浪能具有重要戰(zhàn)略意義，而近年來發(fā)展起來的摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）在對低頻和隨機(jī)能量捕獲方面表現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢，逐漸成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[1]。

TENG 是基于自驅(qū)式納米技術(shù)并以接觸式/摩擦起電和靜電感應(yīng)為基礎(chǔ)的微/納機(jī)電動(dòng)力系統(tǒng)[2]，該發(fā)電方式開辟了新道路，巧妙地利用上述被忽視的能量將其直接轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)持續(xù)供給、綠色環(huán)保、輕量化、低成本等，這些特點(diǎn)使其可以成為新的能量補(bǔ)充方式來滿足能量轉(zhuǎn)換需求[3]，有助于大規(guī)模地生產(chǎn)和應(yīng)用在波浪能發(fā)電上。

2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用雙球形和彈簧支持分離兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行摩擦發(fā)電。雙球形結(jié)構(gòu)是指大球內(nèi)部帶有一小球，其中大球內(nèi)壁貼有易得電子的摩擦材料，而小球外壁貼有易失電子的摩擦材料，在海浪作用下，內(nèi)、外表面的摩擦材料相互摩擦，從而產(chǎn)生交流電；同理，彈簧支持分離結(jié)構(gòu)由上、下貼有兩種摩擦材料的塑料板和兩板間均勻分布的四個(gè)彈簧組成，在海浪和彈簧的作用下，摩擦產(chǎn)生交流電，實(shí)驗(yàn)中將彈簧支持分離結(jié)構(gòu)置于雙球形結(jié)構(gòu)上部，同時(shí)將光伏發(fā)電板置于彈簧支持分離結(jié)構(gòu)的上層板上方，作為系統(tǒng)輔助發(fā)電模塊。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

由于TENG 發(fā)出的是交流電，需先由整流裝置將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，再經(jīng)穩(wěn)壓裝置穩(wěn)壓后即可儲能。但受環(huán)境因素影響，系統(tǒng)發(fā)電量是時(shí)刻變化的，因此系統(tǒng)需要采功率傳感器將TENG 發(fā)出的一部分電能轉(zhuǎn)換成小信號，再經(jīng)單片機(jī)計(jì)算發(fā)電量情況后由無線傳輸模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)信號傳輸，儲能系統(tǒng)就可根據(jù)具體情況做出儲能或者釋能的決策。

3 硬件結(jié)構(gòu)

3.1 單片機(jī)STM32

本系統(tǒng)采用的主控器是STM32F1 系列單片機(jī)，其運(yùn)算速度是51 單片機(jī)的幾十倍，該控制器具有低功耗、數(shù)字信號處理等優(yōu)點(diǎn)，用于實(shí)驗(yàn)中配合功率傳感器和無線通信模塊達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控摩擦納米發(fā)電機(jī)發(fā)電情況。

3.2 聚四氟乙烯Teflon

聚四氟乙烯作為當(dāng)今世界上耐腐蝕性能最佳的材料，是四氟乙烯合成的易得電子含氟聚合物，本實(shí)驗(yàn)將其作為TENG 的“負(fù)”方向材料，制成薄膜并與易失去電子的尼龍薄膜摩擦發(fā)電。

3.3 聚酰胺（尼龍）-66

聚酰胺-66，俗稱尼龍-66，是生活中常用塑料制品的原材料，具有較高熔點(diǎn)、耐油、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中將其薄膜形式作為TENG 的“正”方向材料，與Teflon 摩擦?xí)r將失去電子，從而產(chǎn)生電能。

3.4 無線串口通信模塊NRF24L01

本系統(tǒng)采用NRF24L01無線收發(fā)器實(shí)時(shí)傳輸TENG發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電情況，該模塊具有體積小、功耗低、工作溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，適用于在環(huán)境復(fù)雜的海面上傳輸信號。

4 測驗(yàn)發(fā)電電壓

由于TENG 發(fā)電量與摩擦材料本身的厚度有關(guān)，因此，本實(shí)驗(yàn)采用長、寬均為8 cm 的摩擦材料進(jìn)行摩擦發(fā)電測驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)共分為8 組，各組摩擦材料厚度如表1 所示。先將2 種摩擦材料表面貼上雙面導(dǎo)電的銅箔（轉(zhuǎn)移薄膜表面電荷），再連接導(dǎo)線于銅箔上后把貼有銅箔的那一面貼在紙板上，起到固定薄膜作用，兩根導(dǎo)線的另一端接到交流電測量儀上，最后將兩種摩擦材料進(jìn)行勻速開合式摩擦（垂直接觸分離），間隔寬度為1.5 cm，開合次數(shù)為20 次，最后取其交流電壓穩(wěn)定值，測得數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 不同厚度摩擦材料發(fā)電電壓對照表

在垂直接觸分離模式下，接觸面會產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，電荷密度逐漸趨向飽和，這是由于在電荷建立的靜電場下產(chǎn)生靜電感應(yīng)效應(yīng)，從而驅(qū)動(dòng)電路中的電子轉(zhuǎn)移。兩個(gè)電極之間的相對電壓差（V）和和短路條件下的位移電流密度（JD）可以分別表示為[4-5]：

式（1）（2）中：z為極板間距的時(shí)間常數(shù)；t為時(shí)間；d1和d2分別為第一、第二納米摩擦塊厚度；ε1、ε2分別為第一、第二納米摩擦塊的介電常數(shù)；σ1（z，t）為轉(zhuǎn)移電子的累計(jì)密度；σc為電介質(zhì)表面電荷密度；ε0為真空中介電常數(shù)。

實(shí)驗(yàn)采用MATLAB 軟件繪制不同厚度摩擦材料的TENG 發(fā)電電壓曲線，如圖2 所示，圖中可清晰觀察到，當(dāng)厚度為0.14 mm 的尼龍薄膜和0.03 mm 的Teflon 薄膜摩擦?xí)r，摩擦材料表面的電荷量最高，即交流電壓最大，因此系統(tǒng)中TENG 摩擦材料應(yīng)采用最后一組的厚度數(shù)據(jù)。

圖2 不同厚度摩擦材料發(fā)電電壓曲線圖

5 測驗(yàn)結(jié)果與分析

系統(tǒng)調(diào)試初期，采用20 顆LED 燈作為負(fù)載以驗(yàn)證TENG 的發(fā)電情況，但未對TENG 的兩種摩擦起電材料進(jìn)行試驗(yàn)，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)電效率低，LED 燈亮度自然較低。

另外，受實(shí)驗(yàn)設(shè)備限制，本實(shí)驗(yàn)的兩種摩擦材料無法采用納米金顆粒制備的高性能聚合物薄膜，而采用在摩擦材料表面制作微結(jié)構(gòu)以及摻雜納米金顆粒制備高性能聚合物薄膜的方法，一定程度上改善了聚合物薄膜在接觸摩擦?xí)r的性能，增大了表面電荷密度[6]。因此實(shí)際利用中兩種摩擦材料也需要采用納米金顆粒制備高性能聚合物薄膜的方法，才能提高表面電荷密度，發(fā)電效率也就提高了。

6 結(jié)束語

本實(shí)驗(yàn)介紹了基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的海洋波浪能收集系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)過程，TENG 海洋波浪能收集系統(tǒng)實(shí)物如圖3 所示。測試表明，TENG 的反應(yīng)速度較快、系統(tǒng)誤差較小、功能穩(wěn)定，具有一定的應(yīng)用價(jià)值和市場前景，在今后還可對本系統(tǒng)進(jìn)行完善改進(jìn)，比如增加發(fā)電功率預(yù)測系統(tǒng)，將對中國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展有著重要價(jià)值和意義。

TENG 巧妙運(yùn)用摩擦起電的原理，充分發(fā)揮摩擦的正效應(yīng)作用，通過設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)的摩擦表面將機(jī)械能高效率地轉(zhuǎn)化為電能，可作為電源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可在日常生活中將人體的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能為各種移動(dòng)電子產(chǎn)品充電，可用作傳感器來探測微小的壓強(qiáng)變化，使能源的利用更高效，推動(dòng)節(jié)能環(huán)保新能源產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，變革人類的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)方式，給人類帶來巨大的福利。

圖3 TENG 海洋波浪能收集系統(tǒng)實(shí)物圖