鐘英豪，嚴(yán) 謹(jǐn)，梅納爾多，魏 斌

（1.廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.廣東海洋大學(xué)海洋工程學(xué)院，廣東湛江 524088；3.廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088）

為解決使用傳統(tǒng)化石能源帶來的環(huán)境污染、全球氣候變暖、能源枯竭等一系列問題，開發(fā)綠色能源、擴(kuò)大新型能源供給已成為世界共同目標(biāo)[1]。海洋可再生能源由于自身綠色、低碳、清潔等特性成為人們利用發(fā)展的新對(duì)象，充分利用海洋可再生能源不僅能解決環(huán)境污染等問題，也可為深遠(yuǎn)海發(fā)展、增強(qiáng)國(guó)防力量和海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)提供強(qiáng)有力的支撐[2]。眾多海洋可再生能源中，波浪能由于其儲(chǔ)量豐富、能量密度高、環(huán)境影響小、高品位及廣泛分布等特點(diǎn)[3]，成為海洋可再生能源研究和發(fā)展的焦點(diǎn)。傳統(tǒng)波浪能發(fā)電技術(shù)由于維護(hù)成本高、轉(zhuǎn)換效率低和轉(zhuǎn)換過程繁雜等缺點(diǎn)使其應(yīng)用范圍受限[4-5]。而基于摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric Nanog enerator，TENG）的新型波浪能發(fā)電技術(shù)因成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和易制造等優(yōu)點(diǎn)受到重點(diǎn)關(guān)注。本文介紹了基于TENG 的新型波浪能發(fā)電技術(shù)基本原理、工作模式，以及當(dāng)今TENG 在波浪能發(fā)電領(lǐng)域研究現(xiàn)狀，最后總結(jié)了該技術(shù)目前存在問題與挑戰(zhàn)，并根據(jù)當(dāng)前一些實(shí)例提出未來研究趨勢(shì)。

1 摩擦納米發(fā)電機(jī)基本原理

2012 年，佐治亞理工學(xué)院王中林教授等人提出摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG），通過結(jié)合摩擦起電和靜電感應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能[6-7]。由于TENG 具有低成本、易制造、高功率密度、材料選擇范圍廣、可作為自供能傳感器等諸多優(yōu)點(diǎn)，利用TENG 進(jìn)行能量采集及自供能監(jiān)測(cè)的研究者越來越多[8-11]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的利用電磁感應(yīng)發(fā)電對(duì)比，TENG對(duì)于收集低頻能量（小于5 Hz）具有明顯的優(yōu)勢(shì)[12-14]。因此，利用TENG 收集低頻、無規(guī)律的波浪能是一個(gè)極佳的選擇。TENG 基本模型的理論源頭是麥克斯韋位移電流[15]，具體表達(dá)式如下。

式中，D代表位移場(chǎng)；B代表磁場(chǎng)；E代表電場(chǎng)；H代表磁化場(chǎng)；Pf代表自由電荷密度；Jf代表自由電流密度。

式中，P代表極化場(chǎng)密度；ε0代表真空介電常數(shù)。

對(duì)于各向同性介質(zhì)來說，P=（ε-ε0）E，D=εE，ε是電介質(zhì)的介電常數(shù)。在式（4）中，被定義為麥克斯韋位移電流。

2 TENG 的4 種工作模式

TENG 的工作模式有4 種（圖1），分別為垂直接觸—分離模式、水平滑動(dòng)模式、單電極模式、獨(dú)立層模式[19]。垂直接觸—分離模式是通過兩個(gè)背部鍍有金屬電極的介電薄膜垂直接觸分離進(jìn)行發(fā)電的，由于兩種介電薄膜在摩擦電序列里的位置不同、電負(fù)性不同，所以兩者表面接觸時(shí)會(huì)通過得失電子帶上等量的異種電荷。當(dāng)兩個(gè)介電薄膜分離時(shí)兩者間會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)差，若將背部的金屬電極通過負(fù)載連接，自由移動(dòng)的電子為了平衡電勢(shì)差就會(huì)流通在兩個(gè)電極連接的外電路中。若兩個(gè)介電薄膜再次靠近接觸時(shí)，兩者間的電勢(shì)差消失，電子返回原來的電極，周期性接觸分離導(dǎo)致外部電路產(chǎn)生交流輸出（圖1（a））。水平滑動(dòng)式原理與垂直接觸分離模式類似，只不過是將垂直接觸引起的介電薄膜接觸分離換成通過相對(duì)滑動(dòng)引起介電薄膜接觸分離（圖1（b））。單電極模式只需要負(fù)載與一個(gè)電極連接，負(fù)載的另一端只作為電勢(shì)參考電極，也可以直接接地，此模式更有利于從自由移動(dòng)物體中獲取能量（圖1（c）），但由于靜電屏蔽效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致此種工作模式下的電子轉(zhuǎn)移效率較低。此外，如圖1（d）所示，獨(dú)立層模式基本結(jié)構(gòu)可以由一個(gè)可自由移動(dòng)的介電薄膜和兩個(gè)具有一定距離的固定電極組成。當(dāng)施加一個(gè)外界激勵(lì)使自由介電薄膜層從與左側(cè)電極接觸到與右側(cè)電極接觸時(shí)，兩個(gè)電極間會(huì)產(chǎn)生不均勻電荷導(dǎo)致兩者間出現(xiàn)電勢(shì)差，為了平衡電勢(shì)差，電子將右電極流向左電極，當(dāng)介電薄膜層從與右側(cè)電極接觸回到與左側(cè)電極接觸時(shí)，電子發(fā)生回流。因此，通過介電薄膜在兩電極間的往復(fù)移動(dòng)可以產(chǎn)生交流電輸出。獨(dú)立層模式不局限于連接負(fù)載的兩電極需鍍?cè)谙鄬?duì)運(yùn)動(dòng)器件上，不僅方便了器件的設(shè)計(jì)，同時(shí)還不會(huì)受到單電極模式下靜電屏蔽效應(yīng)的干擾，所以擁有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，非常適用于波浪能收集。

圖1 TENG 的4 種工作模式

3 摩擦納米波浪能發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀

利用TENG 進(jìn)行波浪能發(fā)電不僅可以為海上傳感器網(wǎng)絡(luò)提供能源供給，還能通過不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與自身機(jī)理結(jié)合使其成為自供能傳感器。所以，基于TENG 的波浪能采集技術(shù)已經(jīng)成為一大熱點(diǎn)。目前，利用TENG 進(jìn)行波浪能采集可以分為：液固模式TENG[20-24]、全封閉式TENG[25-35]、旋轉(zhuǎn)磁盤式TENG[36]、混合式TENG[37-44]等。

3.1 液固模式TENG

首個(gè)基于液固模式的TENG 是由LIN Z H 等[20]于2013 年提出（圖2（a）），通過聚二甲基硅氧烷與水的接觸分離使基底上電極產(chǎn)生電勢(shì)差，兩電極通過負(fù)載連接，由于電勢(shì)差的存在驅(qū)使電子流動(dòng)于負(fù)載通路，從而產(chǎn)生電能。此液固TENG 在周期性接觸分離下，所產(chǎn)電能可以給33 μF 的電容器充電，并有效點(diǎn)亮60 個(gè)發(fā)光二極管。2018 年，LI X 等[21]設(shè)計(jì)了類似浮標(biāo)的液固TENG（圖2（b）和圖2（c）），可以從不同類型的低頻振動(dòng)（上下、搖晃和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）中獲取能量。并通過形成網(wǎng)絡(luò)可達(dá)到290 μA，16 725 nC，300 V 的電輸出，可驅(qū)動(dòng)一個(gè)射頻發(fā)射器、點(diǎn)亮上百個(gè)發(fā)光二極管，以及為無線SOS 系統(tǒng)供電使其發(fā)出海洋緊急信號(hào)。為避免大規(guī)模收集波浪能時(shí)傳輸線受海水侵蝕，以及在TENG 單元內(nèi)纏結(jié)的問題，LIU G 等[22]于2020 年設(shè)計(jì)了一種由彈簧鋼帶和三層聚合物膜組成的平面狀電力電纜的TENG 網(wǎng)絡(luò)（圖2（d）），電力電纜內(nèi)部的鋼帶不僅作為結(jié)構(gòu)骨架，還充當(dāng)電極的作用。通過實(shí)驗(yàn)分析可知單根電纜在一個(gè)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)了34 V 的最大開路電壓和25 nC 的轉(zhuǎn)移電荷量。由于TENG 的新穎工作機(jī)制，水本身可以作為一種與絕緣聚合物膜相互作用的摩擦電材料，因此液固模式可以大大減少海水腐蝕和靜電干擾對(duì)TENG 的影響。

圖2 液固接觸TENG

3.2 全封閉式TENG

對(duì)于固-固接觸來收集波浪能，必須需要考慮環(huán)境濕度對(duì)TENG 輸出性能的影響，所以為了能在惡劣條件下工作往往采用全封閉結(jié)構(gòu)。目前為止，已經(jīng)報(bào)道用于收集波浪能的全封閉TENG 結(jié)構(gòu)種類有很多，如滾動(dòng)結(jié)構(gòu)[25-32]、波狀電極結(jié)構(gòu)[33-34]、空氣驅(qū)動(dòng)膜結(jié)構(gòu)[35]等。

3.2.1 滾動(dòng)結(jié)構(gòu)

WANG X 等[25]于2015 年設(shè)計(jì)了一個(gè)用于收集波浪能的獨(dú)立式且全封閉滾動(dòng)TENG （圖3（a）），命名為RF-TENG，它將一個(gè)滾動(dòng)的球（尼龍） 封裝在一個(gè)內(nèi)殼涂有聚酰亞胺薄膜的球內(nèi)，通過材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，直徑為6 cm 的RF-TENG 在水波驅(qū)動(dòng)下可以提供1 μA 的短路電流，瞬時(shí)輸出功率可達(dá)10 mW。由于獨(dú)立式TENG 出色的電荷轉(zhuǎn)移效率和較少摩擦的滾動(dòng)結(jié)構(gòu)，這種TENG 裝置的性能能夠在26.5%的占空比下直接驅(qū)動(dòng)70 多個(gè)發(fā)光二極管和商用溫度計(jì)。CHENG P 等[26]通過優(yōu)化材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)的硬接觸式球形TENG 改善成軟接觸球形TENG（SS-TENG）（圖3（b）所示），由于接觸面積的增加，最大輸出電荷比傳統(tǒng)TENG 增加了10 倍。除此之外，RODRIGUES C 等[27]于2021 年開發(fā)了3 種基于滾動(dòng)球體的TENG 系統(tǒng)，通過定標(biāo)導(dǎo)航浮標(biāo)內(nèi)的真實(shí)海況下的大尺度波浪水槽實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)受到波浪激勵(lì)時(shí)，電氣輸出對(duì)俯仰自由度有很大的依賴性，并且需要考慮浮標(biāo)的全部動(dòng)態(tài)，而不僅僅是TENG 的動(dòng)態(tài)。

圖3 全封閉式TENG

3.2.2 波狀電極結(jié)構(gòu)

WEN X 等[33]于2014 年發(fā)明了一種基于波狀結(jié)構(gòu)的TENG（圖3（c）），將銅-聚酰亞胺-銅膜夾在兩個(gè)扁平的納米結(jié)構(gòu)聚四氟乙烯膜之間，利用摩擦起電效應(yīng)轉(zhuǎn)化能量。作者研究了不同攪拌方式來觸發(fā)全包裝的TENG，通過分析輸出信號(hào)及其相應(yīng)的傅立葉變換頻譜，3 種攪動(dòng)方法被相互區(qū)分開來，證明了該TENG 在水文分析中的潛力。ZHANG L M等[34]制作了一個(gè)集成了12 組多層波狀結(jié)構(gòu)正十二面摩擦納米發(fā)電機(jī)（WS-TENGs）（圖3（d））。該裝置通過波浪驅(qū)動(dòng)整流后可以獲得260 V 和220 μA高輸出電壓和電流，展示了一種優(yōu)于傳統(tǒng)水波能量收集的有效方法。

3.2.3 空氣驅(qū)動(dòng)膜結(jié)構(gòu)

XU L 等[35]于2017 年通過設(shè)計(jì)新穎的彈簧懸浮振蕩器結(jié)構(gòu)研發(fā)了一種基于空氣驅(qū)動(dòng)膜結(jié)構(gòu)的集成摩擦電納米發(fā)電機(jī)陣列裝置（圖3（e）），該裝置利用空氣壓力來傳遞和分配收集的水波能量。實(shí)驗(yàn)顯示，在約2.9 Hz 的諧振頻率附近的低頻下工作時(shí)，集成38 個(gè)TENG 單元的器件可以得到15 μC的每周期轉(zhuǎn)移電荷、187 μA 的短路電流，以及13.23 W/m3的優(yōu)化峰值功率密度，因此可以在真實(shí)的水波中同時(shí)點(diǎn)亮600 個(gè)發(fā)光二極管，由于彈簧懸浮振蕩器結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和利用空氣壓力傳遞和分配收集的水波能量的機(jī)制，該器件可以輕松地將大規(guī)模高密度TENG 陣列集成在一個(gè)封裝中，并大大增加輸出。

3.3 磁盤旋轉(zhuǎn)式TENG

JIANG T 等[36]于2020 年設(shè)計(jì)了一種用于超低頻水波能量收集的高能量轉(zhuǎn)換效率搖擺結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī)（SS-TENG）（圖4（a））。通過氣隙和柔性介電刷的設(shè)計(jì)使摩擦阻力最小化，摩擦電荷可持續(xù)，從而提高了魯棒性和耐用性。實(shí)驗(yàn)顯示，在電機(jī)參數(shù)為行程為7 cm 和加速度為7.5 m/s2時(shí)，最大峰值功率為4.56 mW，平均功率為0.48 mW。重要的是，該裝置可以在一次觸發(fā)下實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)88 s 的擺動(dòng)時(shí)間，并表現(xiàn)出優(yōu)異的耐用性。圖4（b）和圖4（c）顯示出在波浪的驅(qū)動(dòng)下，SS-TENG 產(chǎn)生的電量?jī)?chǔ)存在電容器后成功驅(qū)動(dòng)數(shù)字溫度計(jì)。圖4（d）和圖4（e）顯示出在波浪的驅(qū)動(dòng)下，SS-TENG 產(chǎn)生的電量?jī)?chǔ)存在電容器后為無線發(fā)射器供電，該發(fā)射器通過向接收器發(fā)生信號(hào)并成功開啟警報(bào)。實(shí)驗(yàn)證明了SS-TENG在自供電溫度傳感和藍(lán)色能源環(huán)境監(jiān)測(cè)中的潛在應(yīng)用。

圖4 磁盤旋轉(zhuǎn)式TENG

3.4 混合式TENG

海洋技術(shù)的發(fā)展要求能量收集裝置能夠在低頻的情況下對(duì)波浪能進(jìn)行高效的采集。多項(xiàng)研究顯示，集成多種能量采集技術(shù)進(jìn)行波浪能收集似乎是一個(gè)非常有前途的解決方案。CHEN X 等[37]于2019 年提出了一種無序擺式摩擦電（TENG）與電磁（EMG）混合的納米發(fā)電機(jī)和自供電無線傳感節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)（圖5（a））。該裝置物理設(shè)計(jì)上利用無序擺工作頻率低、機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)，在水波激勵(lì)條件下，納米發(fā)電機(jī)的最大輸出功率可達(dá)到15.21 μW，EMG最大輸出功率可達(dá)1.23 mW（圖5（b）和圖5（c）所示）。此外，混合納米發(fā)電機(jī)可以為浮標(biāo)上的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無線傳感節(jié)點(diǎn)供電，自供電發(fā)送端將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)交?。作者認(rèn)為，該研究為收集藍(lán)色能量提供了創(chuàng)新有效的方法，也為航空航天和工業(yè)提供了新的方向。FENG Y 等[38]于2021 年設(shè)計(jì)了一種包含軟接觸圓柱摩擦電納米發(fā)電機(jī)和擺動(dòng)式電磁發(fā)電機(jī)的混合納米發(fā)電機(jī)（圖5（d））。通過引入柔性兔毛制成的電刷來分離定轉(zhuǎn)子對(duì)（圖5（e）），使其具有向介質(zhì)表面泵送電荷的功能，從而降低運(yùn)行電阻，提高器件的耐久性。經(jīng)優(yōu)化后的混合納米發(fā)電機(jī)在0.1 Hz 的水波攪動(dòng)下表現(xiàn)出最佳的輸出響應(yīng)，產(chǎn)生4.8 mW 的瞬時(shí)峰值功率，峰值功率密度為10.16W/m3，平均功率密度為0.23W/m3，最后，通過組成的陣列在超低頻水波中成功演示了自供電溫度測(cè)繪和無線傳輸（圖5（f））。

圖5 混合式TENG

4 摩擦納米波浪能發(fā)電技術(shù)存在問題與研究趨勢(shì)

為了達(dá)到智慧經(jīng)略海洋，海上活動(dòng)不斷增加以及海洋裝備日益整合，對(duì)能源需求也大大提升。傳統(tǒng)波浪能發(fā)電技術(shù)往往具有維護(hù)成本高、結(jié)構(gòu)笨重和轉(zhuǎn)換效率低等缺點(diǎn)，并且大多數(shù)只能傳輸給大型電網(wǎng)，難以對(duì)海洋裝備和平臺(tái)進(jìn)行直接供電，而采用電池供電又存在維護(hù)成本高和續(xù)航能力差等問題。對(duì)比采用電磁發(fā)電的傳統(tǒng)波浪能發(fā)電技術(shù)，由于TENG 能在低頻低振幅的情況下轉(zhuǎn)換效率高，可以提供高功率輸出，并且可持續(xù)高效運(yùn)行，從而大大降低運(yùn)行維護(hù)成本[13-14]。因此，在這種情況下，基于TENG 的波浪能發(fā)電技術(shù)成為了一個(gè)非常有潛力的替代解決方案，目的并非是為了取代電磁發(fā)電機(jī)進(jìn)行大型供電，而是作為對(duì)其的一種補(bǔ)充，以解決海上設(shè)備及傳感器的能源供應(yīng)。該技術(shù)是一種新型發(fā)電技術(shù)，要發(fā)展成熟及走向?qū)嶋H應(yīng)用依然存在著許多亟待解決的問題和挑戰(zhàn)。針對(duì)這些問題，該領(lǐng)域未來研究趨勢(shì)主要表現(xiàn)以下幾個(gè)方面。

4.1 電源電路管理優(yōu)化

目前利用TENG 發(fā)電大部分產(chǎn)生的都是交流電，而海上設(shè)備與傳感器只能由直流電供電，因此通常需要通過整流橋整流才能將交流電轉(zhuǎn)換成直流電。要滿足廣泛分布的海上傳感器供電需求，往往需要利用多個(gè)TENG 形成網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行供電，所需要的整流橋的數(shù)量也會(huì)較為龐大，這無疑增加了電源電路傳輸?shù)膹?fù)雜性和空間占據(jù)的局限性。為此，電源電路管理優(yōu)化對(duì)于基于TENG 的波浪能發(fā)電技術(shù)是極其必要的。GAO Y 等[45]于2021 年通過耦合摩擦起電和靜電擊穿效應(yīng)設(shè)計(jì)了一種滾動(dòng)模式下的直流TENG，首次在滾動(dòng)模式下實(shí)現(xiàn)了恒流輸出。若將該方法運(yùn)用到波浪能發(fā)電，無疑是電源電路管理優(yōu)化的一種極佳方法。不通過復(fù)雜的整流橋使TENG 產(chǎn)生直流的方法一般有3 種，分別是機(jī)械整流、相位控制和介電擊穿，將TENG 產(chǎn)生直流的方法運(yùn)用在波浪能發(fā)電技術(shù)將會(huì)是電源電路管理優(yōu)化的一個(gè)突破口。

4.2 多能利用復(fù)合結(jié)構(gòu)的研究

多能綜合利用是能量收集研究的重要方向。海洋環(huán)境復(fù)雜多樣，海洋平臺(tái)或浮標(biāo)往往會(huì)集成各種海上設(shè)備與傳感器等電子系統(tǒng)，用于對(duì)海洋氣象監(jiān)測(cè)、信號(hào)傳輸、安全監(jiān)測(cè)和導(dǎo)航等，它們一般只通過太陽能發(fā)電對(duì)電池組進(jìn)行儲(chǔ)存供電，其成本高、效率低且容易受到光照條件的影響。而海上可利用的環(huán)境能量多種多樣，比如波浪能、雨滴能、風(fēng)能和太陽能。目前，大部分研究者只對(duì)單獨(dú)收集波浪能的結(jié)構(gòu)與技術(shù)進(jìn)行了研究，若能通過集成復(fù)合機(jī)構(gòu)對(duì)多種能量進(jìn)行同時(shí)收集利用，不僅有利于發(fā)電系統(tǒng)的一體化集成，還大大提高了單位面積的能量轉(zhuǎn)化效率。例如，SHAO H 等[46]結(jié)合摩擦納米發(fā)電機(jī)和電磁發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)了一種多功能混合動(dòng)力裝置，該裝置可以有效收集波浪能和太陽能，通過實(shí)驗(yàn)證明可以作為直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管或給儲(chǔ)能裝置充電的實(shí)用電源。為了適應(yīng)環(huán)境多樣化，集成復(fù)合機(jī)構(gòu)同時(shí)收集多種能量有利于產(chǎn)生更高的輸出性能，同時(shí)也能提高空間利用率，實(shí)現(xiàn)能量采集結(jié)構(gòu)與供能一體化目標(biāo)。

4.3 自驅(qū)動(dòng)傳感的研究

波浪傳感器一般可以監(jiān)測(cè)波高、波周期和波向等參數(shù)，監(jiān)測(cè)波浪對(duì)于海洋資源利用、海上安全和海洋災(zāi)害預(yù)警尤為重要?，F(xiàn)如今的波浪傳感器往往通過電池供能，因此具有續(xù)航能力差和維護(hù)成本高等缺點(diǎn)。而當(dāng)前大部分收集波浪能的TENG 研究都是通過波浪能發(fā)電從而給相關(guān)傳感器供電，若能合理利用TENG 發(fā)電的特色，即其所產(chǎn)生的電信號(hào)與自身參數(shù)或運(yùn)動(dòng)往往具有一定的關(guān)系（如線性關(guān)系），則可通過研究?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律與波浪之間的關(guān)系，得出產(chǎn)生的電信號(hào)與波浪之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)測(cè)波浪的各項(xiàng)參數(shù)并實(shí)現(xiàn)自供能。例如，XU M Y 等[47]于2018 年提出了一種基于液固界面TENG 的高靈敏波傳感器（WS-TENG），該波傳感器由表面覆蓋聚四氟乙烯薄膜的傳感銅電極制成，輸出電壓峰值隨波高線性變化，可以感測(cè)毫米范圍內(nèi)的波高，通過在波浪水槽中實(shí)驗(yàn)成功用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模擬海洋平臺(tái)周圍的波浪，這種新型自驅(qū)動(dòng)波浪傳感器可以為智能船舶設(shè)備提供一種監(jiān)測(cè)波浪的替代方案。不僅僅是波浪參數(shù)，其余海洋參數(shù)的自供能監(jiān)測(cè)同樣可以用摩擦納米發(fā)電技術(shù)完成。實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)傳感對(duì)于微型化和廣泛分布的海上傳感器是極其重要的，因此對(duì)自驅(qū)動(dòng)傳感器的研究將是未來一大發(fā)展趨勢(shì)。

4.4 發(fā)電裝置的穩(wěn)定性和耐久性

利用TENG 的波浪能收集裝置使用壽命和穩(wěn)定性一直是人們擔(dān)心的問題。TENG 發(fā)電過程往往是通過內(nèi)部不同摩擦材料的反復(fù)接觸分離，時(shí)間久了材料必然會(huì)產(chǎn)生耗損，輸出性能可能也會(huì)因此改變。此外，波浪自身所具有的動(dòng)能和勢(shì)能使其在發(fā)電過程中不斷對(duì)發(fā)電裝置外部進(jìn)行沖擊，以及海水成分的不確定性，對(duì)發(fā)電裝置的腐蝕同樣不可忽視。因此，如何通過不同的材料加工和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高發(fā)電裝置穩(wěn)定性和耐久性，成為基于TENG 的波浪能發(fā)電技術(shù)亟待解決的問題。中國(guó)海洋大學(xué)的ZHAO B 等[48]于2021 年提出了一種基于摩擦—電磁復(fù)合發(fā)電技術(shù)的高性能、高耐久點(diǎn)吸收波浪能發(fā)電裝置。該裝置通過多層軟刷毛結(jié)構(gòu)顯著提高了TENG 的輸出性能和耐久性，并利用單向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的持續(xù)、高性能輸出。為實(shí)現(xiàn)TENG 在海浪能量采集中的大規(guī)模應(yīng)用，穩(wěn)定性強(qiáng)和高耐久對(duì)于研究基于TENG 波浪能發(fā)電技術(shù)的研究者們必須考慮的重要因素。

4.5 TENG 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

單個(gè)TENG 波浪能發(fā)電裝置產(chǎn)生的電量或許只能用于單個(gè)小型傳感器的供電，但得益于簡(jiǎn)單微小的TENG 結(jié)構(gòu)和遼闊的海面，可以將多個(gè)TENG 通過組合形成網(wǎng)絡(luò)放置于海面，這樣即使在小范圍內(nèi)，TENG 網(wǎng)絡(luò)也能為廣泛分布的傳感器網(wǎng)絡(luò)供電，甚至為當(dāng)?shù)匕l(fā)電廠或電網(wǎng)提供有用的電能。利用TENG 網(wǎng)絡(luò)獲取波浪能的概念早在2014 年就已被提出[14]，目前，已有很多原型顯示出其原理上的可行性，但要大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用仍然存在許多挑戰(zhàn)，一是上面提到的裝置耐久性，海水與陽光可能導(dǎo)致裝置外部材料降解，以及風(fēng)暴可能使各TENG 單元連接結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞。二是需要考慮網(wǎng)絡(luò)的位置與大小，以盡量減少對(duì)公眾、海洋生物和航運(yùn)的干擾。YANG X 等[49]于2019 年提出了一種基于封裝高性能單元的自組裝TENG 網(wǎng)絡(luò)，用于對(duì)波浪能收集。該裝置通過自適應(yīng)磁關(guān)節(jié)來實(shí)現(xiàn)自組裝，在磁極的自適應(yīng)機(jī)制和自由度的各向異性限制下工作，具有自我修復(fù)破裂和輕松重新配置的能力，大大增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的自主性和機(jī)械魯棒性，便于大規(guī)模制造和維護(hù)。為滿足日益增長(zhǎng)的能源需求，克服TENG 網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)與困難，研究大規(guī)模TENG 網(wǎng)絡(luò)在海洋中的實(shí)際應(yīng)用有非常大的價(jià)值與前景。

5 結(jié) 論

本文綜述了基于TENG 的波浪能發(fā)電技術(shù)的工作原理、工作模式和研究現(xiàn)狀，得出利用不同結(jié)構(gòu)TENG 收集波浪能擁有不同的輸出性能和應(yīng)用范圍，并提出了該技術(shù)目前存在的一些問題，如因TENG產(chǎn)生的是交流電導(dǎo)致電源電路的復(fù)雜性和空間利用的局限性大大增加；大部分TENG 結(jié)構(gòu)只適合單一能量收集；缺乏對(duì)海洋參數(shù)的自驅(qū)動(dòng)傳感研究；因大部分TENG 通過摩擦材料接觸分離方式發(fā)電導(dǎo)致發(fā)電裝置的穩(wěn)定性較差與壽命較短，以及組成TENG 網(wǎng)絡(luò)仍舊面臨許多挑戰(zhàn)與困難等。

結(jié)合當(dāng)前一些研究案例提出了該技術(shù)未來的研究趨勢(shì)，如將直流TENG 運(yùn)用到波浪能發(fā)電從而進(jìn)行電源電路管理優(yōu)化；對(duì)多能利用復(fù)合結(jié)構(gòu)的研究；對(duì)海洋參數(shù)自驅(qū)動(dòng)傳感的研究；利用不同結(jié)構(gòu)和材料提升裝置穩(wěn)定性和耐久性，以及對(duì)大規(guī)模TENG 網(wǎng)絡(luò)的探究。在當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代背景和大力開發(fā)利用新能源趨勢(shì)下，基于TENG 的波浪能發(fā)電技術(shù)無疑是極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦桶l(fā)電技術(shù)，隨著該技術(shù)的日益成熟，相信構(gòu)建TENG 網(wǎng)絡(luò)有望成為實(shí)現(xiàn)藍(lán)色能量夢(mèng)的可行途徑。