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Journal of Tropical Oceanography >

2023 , Vol. 42 >Issue 4: 176 - 183

DOI: https://doi.org/10.11978/2022200

Exploitation of Marine Resources

Spring-assisted triboelectric nanogenerator for shore-based ocean wave energy harvesting

  • XU Qingyue , 1, 2 ,
  • PAN Yuanchao 2, 3 ,
  • MA Haoxiang 2 ,
  • LI Changzheng 2 ,
  • LIU Weihao 2, 4 ,
  • XUE Liang , 1 ,
  • HAN Changbao 3 ,
  • YANG Yang , 2
Expand
  • 1. College of Electronics and Information Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 201306, China
  • 2. Institute of Deep-sea Science and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Sanya 572000, China
  • 3. Division of Materials and Manufacturing, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
  • 4. Institute for Ocean Engineering, Shenzhen International Graduate School, Tsinghua University, Shenzhen 518055, China
XUE Liang, email: ;
YANG Yang, email:

Copy editor: YAO Yantao

Received date: 2022-09-23

  Revised date: 2022-10-26

  Online published: 2022-12-06

Supported by

National Natural Science Foundation of China(42222606)

National Natural Science Foundation of China(62103400)

National Natural Science Foundation of China(42211540003)

National Key R&D Program of China(2021YFC3101300)

Independent Project Deployed by Innovative Academy of Marine Information Technology of CAS(CXBS202103)

Fold

Abstract

As one of the most important renewable energy sources, ocean wave energy is inexhaustible and has broad development potential. Herein, we propose a novel spring-assisted triboelectric nanogenerator (SS-TENG) for harvesting shore-based wave energy. SS-TENG realizes ocean wave energy conversion through the “wave-floating platform-spring” transmission structure, which avoids direct contact with seawater and minimizes the damage to the power generation module caused by a corrosive environment. The output performance of SS-TENG is significantly enhanced in two ways. First, by utilizing the elastic potential energy released by the spring, the instantaneous contact speed between the electrode and dielectric layer is boosted, and the peak current (IP) output by a single triboelectric nanogenerator (TENG) unit increases from 7.36 to 12.12 μA. Second, benefiting from the synchronous movement of each TENG unit, the TENGs can be connected in parallel to achieve the linear increase of IP from 12.12 μA for a single unit to 43.86 μA for four units. SS-TENG can provide sufficient energy to drive a digital calculator and up to 160 high luminosity LEDs, verifying its superior performance. The proposed design has the merits of modest structure, low production cost, excellent output performance, and long-term stability, and is expected to inspire the development of shore-based wave energy generators and self-sufficient ocean sensors.

Key words： triboelectric nanogenerator; contact-separation; elastic potential energy; shore-based wave energy

Cite this article

XU Qingyue , PAN Yuanchao , MA Haoxiang , LI Changzheng , LIU Weihao , XUE Liang , HAN Changbao , YANG Yang . Spring-assisted triboelectric nanogenerator for shore-based ocean wave energy harvesting[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2023 , 42(4) : 176 -183 . DOI: 10.11978/2022200

以电磁发电机(electromagnetic nanogenerator, EMG)为代表的传统能量收集技术被用于收集海浪能, 因体积大、建造成本高、机械结构设计复杂等问题限制了其大规模应用(López et al, 2013; Falcão et al, 2016)。自2012年TENG (triboelectric nanogenerator)技术提出以来(Fan et al, 2012), 凭借其体积小、建造成本低、结构简单、低频响应性好等优势(Fan et al, 2014; Sripadmanabhan Indira et al, 2019), TENG已被应用于多种环境机械能的收集, 如微型振动能收集(Yang et al, 2014; Chen et al, 2017; 练继建 等, 2018)、风能收集(Yong et al, 2021; Zhang et al, 2021a; Han et al, 2022)及海洋波浪能收集(宋保维 等, 2012; Wang et al, 2017; Wei et al, 2021; Qu et al, 2022; Sun et al, 2022a)等。随着柔性、可拉伸以及小型化技术的逐步成熟(Yang et al, 2016), TENG将环境机械能转化成的电能可为海洋、工业、农业等领域的电子传感器供能, 有望在自供电传感器的研发中发挥重要作用, 为海洋环境监测技术(Yang et al, 2019; 胡凯凯 等, 2021; Yang et al, 2021a; Yang et al, 2022)、工业监测技术(Yang et al, 2021b; Zhang et al, 2021b)及智慧农场(Ahmed et al, 2017; Wang et al, 2022)的发展提供助力。
目前, 基于TENG的岸基海浪能收集技术研究正在稳步推进中, 但其中多数TENG结构存在设计缺陷, 难以大规模收集岸基海浪能。Jurado等(2019, 2020)提出的用于收集岸基海浪能的“单电极摩擦纳米发电机”(water-dielectric single electrode mode triboelectric nanogenerators, WDSE-TENG)及“介电-金属摩擦纳米发电机”(dielectric-metal contact separation mode triboelectric nanogenerators, DMCS-TENG), 通过海浪直接冲击“方片式”装置的方式, 将冲击势能转化成电能。但是, 由于发电模块遭受海浪直接冲击, 长此以往会造成发电模块损坏, 因此要求装置具备很好的水密性及防腐蚀性, 从而加大了制作难度。Sun等(2022b)基于多层TENG与EMG的耦合, 提出了用于收集岸基海浪能的“摆动式复合摩擦纳米发电机”(pendular-translational hybrid nanogenerator, PT-HNG)。但该装置结构部件较多, 需要将器件完全密封, 因此设计较为复杂, 制作难度较大, 成本较高。为了解决上述设计存在的问题, 需发明一种结构简单、输出性能较好并具备良好水密性、抗腐蚀性的TENG, 以适应大规模岸基海浪能收集。
本文提出一种新型弹簧辅助摩擦纳米发电机(spring-assisted triboelectric nanogenerator, SS-TENG), 可高效地收集岸基海浪能。它主要由发电模块、支撑杆及浮台组成, 结构部件少, 易于制作。发电模块固定在垂直于地面的支撑杆顶端, 通过“海浪-浮台-弹簧”传动结构实现海浪能的转化, 避免了与海水直接接触, 减少了腐蚀环境对发电模块的损坏, 降低了SS-TENG的密封及抗腐蚀性要求, 保障了SS-TENG在海洋腐蚀环境下长期工作的稳定性。SS-TENG不仅可借助弹簧释放的弹性势能增大各个 TENG单元电极层与介电层的瞬间接触速度, 从而显著提高输出, 使得单个TENG单元输出的峰值电流IP从7.36μA增加到12.12μA; 而且在此基础上, 还可利用发电模块中各个TENG单元间的同步运动, 将它们进行简单的并联, 从而使得IP从单个TENG单元的12.12μA增加到4个TENG单元的43.86μA, 相比DMCS-TENG提升了32.9%。SS-TENG转化的电能经电容器等储能单元存储后, 可为数字计算器及LED灯供能。该设计为岸基海浪能收集及自供电海洋传感器技术的发展提供了一种可行方案。

1 材料与研究方法

TENG具有4种工作模式, 分别为垂直接触-分离模式、横向滑动模式、单电极模式以及独立的摩擦层模式(Zhu et al, 2012)。SS-TENG基于最常见的垂直接触-分离模式, 结构简单, 成本低, 输出性能较好。SS-TENG的材料选择、制备流程及测试系统如下:
1) 材料选择: 发电模块中的弹簧是不锈钢材质, 具有良好的耐腐蚀性能; 外壳及浮台为3D打印的聚乳酸材质(polylactic acid, PLA), 具有重量轻、韧性好、强度高的特点; 柔性细线材质为维伦, 具有良好的耐碱性及韧性; SS-TENG以聚乙烯(fluorinated ethylene propylene, FEP)薄膜作为负极性摩擦材料, 具有优秀的得电子能力, 表面电荷密度大(Wei et al, 2021); 选用铜箔(Cu箔)作为电极, 具有较强的导电能力, 并且价格低廉, 有助于降低制作成本。
2) 制备流程: 首先, 以两块60mm×60mm×2mm(长×宽×厚)的亚克力板作为基底, 将一片50mm×50mm× 0.065mm(长×宽×厚)的Cu箔贴合于一块基底上, 形成电极层; 然后, 在另一块基底上同样贴合一片Cu箔后, 再覆盖一片50mm×50mm×0.1mm(长×宽×厚)的FEP薄膜, 形成介电层; 将电极层及介电层分别固定在两根13.4mm×228mm(直径×长度)的滑杆及外壳上, 其中电极层随滑杆滑动, 并用两根导线将2个电极引出, 制成一个TENG单元; 重复上述步骤, 制成4个相同的TENG单元, 将它们进行并联, 将滑杆一端与固定在外壳上的弹簧(弹性系数1.27N·cm-1)相连, 并将上述部件密封在长方体外壳中, 制成发电模块; 滑杆另一端通过柔性细线与浮台相连, 最后将发电模块固定到支撑杆顶端, 制成SS-TENG。
3) 测试系统: 采用有限元分析的方法模拟了SS-TENG工作时的电荷转移过程; 使用直线电机(P37×120C, The LinMot. Inc., USA)作为模拟海浪触发的装置; 使用静电计(Keithley 6514)测量了SS-TENG的输出电压、电流, 该静电计与基于 LabVIEW 的图形用户界面连接, 可实时采集数据; 使用精密阻抗分析仪(Keysight E4980A, USA)对电阻进行精密测量。

2 结果与讨论

2.1 SS-TENG的结构设计及工作原理

如图1a所示, SS-TENG主要由发电模块、浮台及支撑杆组成, 其中 U型固定件将发电模块固定在垂直于地面的支撑杆顶端。作为SS-TENG的核心部件, 发电模块由4个接触-分离式的TENG单元、2根滑杆、2个弹簧及外壳构成。TENG单元分为介电层和电极层两部分, 被密封在坚固的外壳中, 介电层固定在外壳上, 电极层固定在滑杆上并跟随滑杆移动, 滑杆一端与固定在外壳上的弹簧连接, 另一端通过2根柔性细线与浮台连接, 浮台底部放置一重物块。发电模块中弹簧释放的弹性势能迅速提高TENG单元的瞬间接触速度, 使得摩擦材料接触更紧密, 从而显著提升输出性能。同时, 由于各个TENG单元的电极层均固定在滑杆上并随滑杆同步移动, 因此经过简单并联, 即可使得输出性能大幅增强。
图1 SS-TENG的结构组成(a)及岸基SS-TENG阵列(b)

Fig. 1 The structure of SS-TENG (a) and shore-based SS-TENG array (b)

由于岸边海浪流动方向与频率都比较固定, 并且将SS-TENG布放在岸边有利于日常维护, 因此本文提出未来可以将多个SS-TENG呈一字型排布在岸边, 形成岸基SS-TENG阵列(图1b)。当受到海浪冲击时, 多个SS-TENG同步工作, 可减小异步工作时因输出相位不一致而产生的损耗, 有望在将来实现大规模岸基海浪能的高效收集。
SS-TENG的具体工作过程为: 无海浪冲击时, 在浮台重力的作用下, 弹簧处于拉伸状态, 介电层与电极层分离; 有海浪冲击时, 浮台上浮, 对弹簧的拉伸力减弱, 弹簧弹性势能释放, 瞬间将电极层拉回, 使得介电层与电极层重新接触, 实现了介电层与电极层的接触-分离, 在外电路产生电信号, 从而将海浪能转化成电能。此过程中具体的电荷转移情况如图2a 所示。初始状态下, 介电层与电极层完全分离(状态Ⅰ), 由于静电感应以及不同材料的得失电子能力不同, 介电层上的FEP薄膜与Cu-1箔表面感应出极性相反、数量相同的正、负电荷; 随着FEP薄膜与电极层上的Cu-2箔逐渐接触(状态Ⅱ), Cu-1箔上的电荷转移到Cu-2箔上, 以重新达到静电平衡状态, 此时在外电路上产生电信号; 随着FEP薄膜与Cu-2 箔完全接触(状态Ⅲ), Cu-1 箔上电荷持续转移到Cu-2 箔上并达到最大值, 此时重新达到静电平衡状态; 随着FEP薄膜与Cu-2箔重新开始分离(状态Ⅳ), 正电荷又会从Cu-2 箔转移到Cu-1箔上, 此时在外电路产生与状态Ⅱ相反的电信号。因此, 在海浪、浮台以及弹簧的共同作用下, 介电层与电极层不断地接触-分离, 从而在外电路循环不断地产生交流电信号。有限元分析结果清晰表明(图2b), 在不同状态下, 两Cu箔之间存在电势差, 驱动电荷转移, 从而产生交流电信号, 与工作机理分析一致。
图2 SS-TENG的工作原理(a)及有限元分析(b)

Fig. 2 The working principle and finite element analysis of SS-TENG. (a) Working principle of SS-TENG; (b) Finite element analysis of SS-TENG

2.2 SS-TENG输出性能测试

为了增强输出性能, 提高能量收集效率, 在振动频率为5Hz、振幅为25mm的条件下, 测试了弹簧的引入及并联的TENG单元数量对输出性能的影响, 验证了弹簧及多个并联TENG单元对SS-TENG输出性能的提升作用。
弹簧的引入可使TENG单元输出的电压和电流明显增强(图3a、3b)。为定量获得增幅大小, 分别测得了有弹簧和无弹簧下SS-TENG输出的IP。由图3c知, 在弹簧的辅助下IP由7.36μA增加到12.12μA, 增大了64.67%。这是由于浮台受海浪冲击上浮, 使得连接浮台与滑竿的柔性细线收缩, 在弹簧的辅助下, 发电模块中电极层被迅速拉回, 使得电极层与介电层瞬间接触速度大幅提高, 增大了电极层及介电层上两电极之间的电荷转移速度, 从而大大提高了IP。
图3 SS-TENG输出性能的优化

a. 弹簧的有无对单个TENG单元的输出电压; b. 电流的影响; c. 弹簧的有无对单个TENG单元的IP的影响; d. 不同数量的TENG单元依次并联后输出的电压; e. 不同数量的TENG单元依次并联后输出的电流; f. 不同数量的TENG单元并联后输出的IP

Fig. 3 Structural optimization of SS-TENG. (a) The output voltage, and (b) current of a single TENG unit with or without spring; (c) The output IP of a single TENG unit with or without spring; (d) The output voltage, and (e) current of different numbers of TENG units in parallel; (f) The output IP generated by different numbers of TENG units in parallel

由于发电模块中各个TENG单元的电极层均固定在滑杆上并随滑杆同步运动, 并且各个电极层与对应的介电层之间的距离相同, 因此只需将各个TENG单元进行简单并联即可大幅提高输出性能。通过比较4个TENG单元并联前后的输出(图3d、3e), 可以看出并联之后输出电压无明显增大, 而输出电流则随TENG数量的增加而大幅增大。IP由单个单元的12.12μA增大到4个单元的43.86μA, 增大了261.88%(图3f), 相比DMCS-TENG(Jurado et al, 2019)提升了32.9%。因此, 根据不同应用场景的实际情况, 可将更多数量的 TENG单元并联, 以最大程度地提升单个SS-TENG的输出性能, 满足不同电子器件的供电需求。
为了探究SS-TENG在海洋环境中的输出性能, 在实验室模拟环境下测试了频率(1.67~10Hz)、振幅(12.5~25mm)对输出电压、电流的影响。在振幅为25mm时, 随着频率的增大, 输出电压先增大后减小, 在5Hz时达到最大值58.3V(图4a); 而电流则逐渐增大, 在10Hz时达到最大值18.2μA(图4b)。这是因为SS-TENG存在固有共振频率(Xu et al, 2018), 当外部频率达到共振频率时, 电荷转移量最大, 电压在此频率下达到最大值; 当外部频率大于或小于共振频率时, 电压都会减小。电荷转移量一定时, 电流由电荷转移速度决定, 因此频率增大, 电荷转移速度增大, 电流逐渐增大。如图4c、4d所示, 在振动频率为5Hz时, 输出电压、电流都随着振幅的增大而增大, 可以解释为:
S = 1 2 k x 2
式中: S为弹簧存储的弹性势能; k为弹簧弹性系数; x为弹簧拉伸长度。
图4 SS-TENG的输出性能表现

a. 不同频率下单个TENG单元的输出电压; b. 不同频率下单个TENG单元的输出电流; c. 不同振幅下单个TENG单元的输出电压; d. 不同振幅下单个TENG单元的输出电流; e. SS-TENG的输出电压、电流随外电阻变化的曲线; f. SS-TENG的输出功率随外电阻变化的曲线

Fig. 4 Output performance of SS-TENG. (a) The output voltage, and (b) current of a single TENG unit with different frequencies; (c) The output voltage, and (d) current of a single TENG unit with different amplitudes; (e) Curves of the output voltage, current, and (f) the power of SS-TENG with different external resistance

由公式(1)可知, 在弹簧的弹性限度内, 振幅越大, 弹簧被拉伸程度越大, 存储的弹性势能越大, 释放的能量越多, 使得TENG单元中摩擦材料(FEP薄膜与Cu电极)接触更充分, 所以输出电压与电流均随着振幅的增大而增大。
SS-TENG输出电压、电流及功率随外电阻变化的曲线如图4e、4f所示。由图4e可知, 输出电压随着外电阻的增大先快速增大后维持在55.1V附近, 电流先快速减小后趋近于0。由图4f可知, 功率随着外电阻的增大先增大后减小。当外电阻较小(<105Ω)或较大(>109Ω)时, 输出功率接近于0; 当外电阻为100MΩ时, 达到最大值262.58μW。

2.3 SS-TENG的充电性能

SS-TENG转化的电能可存储在电容器等储能单元中, 以备后续电能的使用。在振动频率为5Hz、振幅为25mm的条件下, 采用不同连接方式(串联、并联)的SS-TENG对同一个2.2μF电解电容器充电的结果如图 5a所示。其中, 采用并联连接的SS-TENG可在100s内将该电容器充至53.58V, 存储在其中的能量为3.16mJ; 而采用串联连接的SS-TENG则只能充至13.62V, 存储在其中的能量为0.21mJ, 表明采用并联连接的SS-TENG输出性能明显优于串联。进一步采用并联连接的SS-TENG对容值更大的电容充电(2.2μF ~47μF), 100s内可将47μF的电容器充至2.61V(图5b), 证实了SS-TENG具备良好的充电性能。
图5 SS-TENG的充电性能

a. 采用串联或并联连接的SS-TENG给2.2μF电容器充电时的电压; b. 采用并联连接的SS-TENG给不同电容器充电时的电压

Fig. 5 Charging performance of SS-TENG. (a) The voltage of a 2.2 µF capacitor charging by SS-TENG connected in parallel and in series; (b) The voltage of various capacitors charging by SS-TENG connected in parallel

2.4 SS-TENG的应用测试

为了展示SS-TENG在海洋能发电及海洋传感器供能等方面的潜在应用, 本研究在实验室模拟环境下开展了小型电子元器件的供能实验。在没有使用任何储能单元的情况下, SS-TENG产生的交流输出整流为直流输出后, 能成功点亮160盏LED灯, 使其发出明亮的光芒(图6a)。同时, 经整流稳压后, SS-TENG转化的电能可为100μF的电容器充电(图6b)。当充电电压达到12.3V时, 停止充电并连接数字计算器, 此时电容器中存储的电能可持续地为该计算器供电(图6c)。这项工作对岸基海浪能的研究具有重要意义, 为海洋自供电式的小型化电子传感器发展提供了一种潜在的解决方案。
图6 SS-TENG的应用测试

a. 使用SS-TENG点亮160盏LED灯; b. SS-TENG为计算器充电时的工作电路; c. SS-TENG给100µF电容器充电以及连接计算器后的放电过程

Fig. 6 Applications of SS-TENG. (a) 160 LEDs are lighted up by SS-TENG; (b) The working circuit diagram of SS-TENG for powering a calculator; (c) The process of charging a 100 μF capacitor by SS-TENG and the discharging process after connecting the calculator

3 结论

海浪蕴含的能量丰富, 具有巨大的开发潜力。目前基于TENG的海洋能收集的研究正在稳步推进中, 但现有TENG结构设计复杂, 制作难度较大, 成本较高。基于此, 本文提出了一种新型弹簧辅助摩擦纳米发电机SS-TENG, 用于收集岸基海浪能, 该装置结构新颖, 制作简单, 成本低, 输出性能较好, 可网络化铺设潜力大, 具体总结如下:
1) 与现有结构中发电模块受海浪直接冲击相比, SS-TENG中的发电模块固定在支撑杆顶端, 使得发电模块与海水分离, 通过“海浪-浮台-弹簧”传动结构实现海浪能的转化, 减小了腐蚀环境对发电模块的损坏, 降低了SS-TENG的密封及抗腐蚀性要求, 保障了SS-TENG在海洋腐蚀环境下工作的长期稳定性。
2) SS-TENG能借助弹簧弹性势能的释放, 瞬间增大发电模块中各TENG单元电极层与介电层的瞬间接触速度, 从而大幅增大两电极之间的电荷转移速度, 显著提高输出性能(单个TENG单元的IP从7.36μA增加到12.12μA)。同时, 由于各个TENG单元均同步运动, 因此将它们进行简单的并联, 就能够成倍增加输出(IP从一个单元的12.12μA增加到4个单元的43.86μA, 相比DMCS-TENG提升了32.9%)。
3) SS-TENG产生的能量可存储在电容器等储能单元中, 在振动频率为5Hz、振幅为25mm的条件下, 100s内可将2.2μF的电解电容器充至53.58V, 存储在其中的能量为3.16mJ。此外, SS-TENG还可为数字计算器、LED灯等小型电子元器件供电, 验证了其潜在的应用价值。
4) 通过铺设更多数量的SS-TENG, 形成岸基SS-TENG阵列, 并将该阵列进行合适的电气连接, 未来可用于大规模收集岸基海浪能, 进一步丰富了海浪能收集的方法, 为未来海洋自供电传感器发展提供了新的思路。

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