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  海洋約占地球表面積的71%，其中蘊藏著極為豐富的能源。海洋能主要以波浪能、潮汐能、海流能、溫差能及鹽差能等五種形式存在。據(jù)估計，其中僅波浪能一項，世界范圍內(nèi)的總儲量即可達20億千瓦以上。作為一種潛力巨大的清潔無污染能源，波浪能的大規(guī)模開發(fā)利用可能會對世界能源消費格局產(chǎn)生重大的影響。現(xiàn)有的基于電磁發(fā)電機的各種波浪能收集試驗裝置雖已取得很大的發(fā)展，但仍缺乏大規(guī)模的商業(yè)開發(fā)應用，主要挑戰(zhàn)在于設備的成本和可靠性。目前基于電磁發(fā)電機的實驗裝置通常需要復雜的機械結(jié)構(gòu)來捕獲波浪并轉(zhuǎn)換為高度規(guī)則的運動以驅(qū)動發(fā)電機工作，因此它們通常體積龐大、成本高并且在嚴酷的海洋環(huán)境中易受破壞。 

  王中林院士提出的摩擦納米發(fā)電機（Triboelectric nanogenerator, TENG）技術(shù)為開發(fā)利用波浪能提供了一條新的技術(shù)路徑。摩擦納米發(fā)電機基于麥克斯韋位移電流，將摩擦起電和靜電感應結(jié)合起來，能直接將無規(guī)則的低頻機械運動高效轉(zhuǎn)化為電能，不需要復雜的機構(gòu)，同時具有材料選擇多樣、易于制造、成本低、器件結(jié)構(gòu)靈活等諸多優(yōu)點。采用TENG及其網(wǎng)絡收集波浪能的概念最早由王中林院士于2014年提出，通過TENG將不規(guī)則的低頻波浪運動轉(zhuǎn)化為電能，并基于大規(guī)模的TENG網(wǎng)絡收集大面積海域的波浪能量，將可能成為一種非常有前景的波浪能量收集技術(shù)方案。 

  在TENG網(wǎng)絡研究中，單元性能提升及網(wǎng)絡設計是兩個重要基本問題。對于單元性能，需要進一步提升器件的輸出功率，一般較多采用的峰值功率指標并不能完全反映器件的持續(xù)輸出性能，相比而言，平均功率是衡量器件性能的一個更準確的指標，也更難以取得提升。網(wǎng)絡連接是大規(guī)模TENG網(wǎng)絡研究的另一個關(guān)鍵問題，由于在海洋中的實際應用可能涉及數(shù)萬個單元，其構(gòu)建和維護都具有相當?shù)膹碗s性，與此同時，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)也會受到一些極端海洋天氣的威脅，例如風暴，這些極端環(huán)境極易破壞海洋中的大型結(jié)構(gòu)物，另外，通過繩纜或類似的連接裝置也可能在長期運行存在疲勞失效問題。因此，網(wǎng)絡設計需要能解決這些挑戰(zhàn)。 

  自組裝涉及到使基本單元自發(fā)形成有序結(jié)構(gòu)和模式的過程，這是一種可在從分子體系到大規(guī)模天氣系統(tǒng)等不同尺度上廣泛觀察到的自然現(xiàn)象。作為分子或納米尺度的一種有效的合成方法，它吸引了來自化學、生物學和材料科學等多個學科的越來越多的研究興趣。在介觀或宏觀尺度上，也提出了一些模仿微尺度體系的高度自治系統(tǒng)，例如導電網(wǎng)絡、機器人系統(tǒng)等。原理上，自組裝提供了用于構(gòu)建包含大量簡單元素而無需人為干預的有序復雜結(jié)構(gòu)的通用策略，并且該系統(tǒng)通常由于組裝的可逆性而具有自我修復的特征。這些特性對于海洋中的大規(guī)模TENG網(wǎng)絡的構(gòu)建是非常必要的。采用自組裝作為聯(lián)網(wǎng)策略，將有望實現(xiàn)在水中自我組裝構(gòu)建成網(wǎng)、自我修復、自我管理的自治網(wǎng)絡，從而大大降低建設和管理的復雜度和成本，更好地適應嚴酷復雜的海洋環(huán)境，提高了裝置在極端海洋環(huán)境下的生存能力和可靠性。而如何設計一種具有自組裝能力，同時能保持能量收集性能的網(wǎng)絡是一項挑戰(zhàn)。 

  近日，在中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士指導下，碩士生楊曉丹、副研究員許亮等人組成的研究團隊首次成功實現(xiàn)了一種基于高性能摩擦納米發(fā)電機單元的自組裝波浪能收集網(wǎng)絡，實現(xiàn)了發(fā)電機網(wǎng)絡性能的重要突破。在單元設計上，研究團隊設計了一種3D電極結(jié)構(gòu)，采用大量的FEP小球顆粒作為摩擦材料填入到3D電極中，在水波的驅(qū)動下基于自由摩擦層模式發(fā)電機原理，將機械能轉(zhuǎn)化為電能，這種結(jié)構(gòu)極大改善了摩擦面積并且增強了靜電感應效應，同時也具有很好的低頻響應特性。對于封裝直徑8cm的單個球形TENG，其輸出的轉(zhuǎn)移電荷量可達520nC以上，規(guī)則激勵下的峰值功率可達8.75mW，平均功率可達2.33mW，水波驅(qū)動下的平均功率達到0.55mW，其相應的規(guī)則激勵下的峰值功率密度為32.6W/m3，平均功率密度為8.69W/m3，水波中的平均功率密度為2.05W/m3，達到殼球結(jié)構(gòu)TENG的平均功率的18倍以上，刷新了球形TENG波浪能收集器件的平均功率記錄。構(gòu)建了一個包括18個TENG單元的示范網(wǎng)絡，可以有效收集水波能，實現(xiàn)了9.89mW的平均功率，可用于自驅(qū)動傳感和無線信號傳輸。 

圖1 高性能自組裝TENG網(wǎng)絡。a) 網(wǎng)絡的自組裝、自修復和可重構(gòu)示意圖；b) TENG單元的結(jié)構(gòu)示意圖；c, d) 3D電極球(c)和水中自組裝TENG網(wǎng)絡(d)的照片；e) 輸出功率和峰值電流與負載電阻的關(guān)系；f-h) 在水波驅(qū)動下，兩節(jié)點單元(f)，三節(jié)點單元(g)和四節(jié)點單元(h)的典型自組裝網(wǎng)絡的照片；i) 自組裝TENG網(wǎng)絡在水波驅(qū)動下的短路電流（整流）；j) 在水波驅(qū)動下，自組裝TENG網(wǎng)絡的平均功率與負載電阻的關(guān)系；k) 水波驅(qū)動下，自組裝TENG網(wǎng)絡點亮300個LED的照片。 

  在網(wǎng)絡連接方面，設計了一種自適應磁性節(jié)點（Self-adaptive magnetic joint, SAM-joint）以實現(xiàn)自組裝，該磁性連接節(jié)點基于一種可旋轉(zhuǎn)的嵌套磁球結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了磁球的接近-磁極自動旋轉(zhuǎn)配對-吸附的過程，解決了固定磁極吸附存在的吸附錯位及磁極不配對等難題，實現(xiàn)了高度可靠的單元組裝。為了在保持網(wǎng)絡構(gòu)型的同時實現(xiàn)能量收集，在吸附節(jié)點上引入了限位塊設計，實現(xiàn)了各向異性的運動自由度約束，使得連接節(jié)點在水平面內(nèi)的運動受到約束，可以保持網(wǎng)絡構(gòu)型，而在豎直平面內(nèi)可以相對轉(zhuǎn)動，進行波浪能收集。通過對球形TENG單元配置不同的磁性節(jié)點數(shù)量和位置等幾何信息，可以實現(xiàn)不同的自組裝網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，例如線形結(jié)構(gòu)、空心六邊形網(wǎng)格、四邊形網(wǎng)格、密排六邊形網(wǎng)格等結(jié)構(gòu)形式。通過實驗也驗證了該網(wǎng)絡自我修復破壞以及可重構(gòu)的能力，因而實現(xiàn)了自組裝、自修復、可重構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機網(wǎng)絡。這些特征極大地增強了摩擦納米發(fā)電機網(wǎng)絡的自治能力和結(jié)構(gòu)可靠性，便于大規(guī)模網(wǎng)絡的構(gòu)造和維護，將有可能成為摩擦納米發(fā)電機網(wǎng)絡實現(xiàn)實際應用的一個重要基礎技術(shù)。該方法還將有可能應用于其他大型海洋結(jié)構(gòu)的建造。該研究展示了自組裝網(wǎng)絡可作為波浪能收集的一種新穎有效的技術(shù)方案，有可能為大規(guī)模摩擦納米發(fā)電機網(wǎng)絡的開發(fā)應用鋪平道路，為實現(xiàn)藍色能源夢，向人類社會提供取之不盡的可再生和清潔能源做出貢獻。相關(guān)成果以“Macroscopic Self-Assembly Network of Encapsulated High-Performance Triboelectric Nanogenerators for Water Wave Energy Harvesting”為題發(fā)表在Nano Energy上。 

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519302496