許多海洋能源項(xiàng)目都想將規(guī)模擴(kuò)大，鋪設(shè)大型浮標(biāo)，順利獲得機(jī)械方式將波浪轉(zhuǎn)換成電能，但開發(fā)波浪能還有另一種方法：縮減規(guī)模。十多年來，材料科學(xué)家不斷在調(diào)整研發(fā)微小尺度的材料，以便從流動的水中收集電荷?，F(xiàn)在，中國長沙中南大學(xué)的一個研究小組從根本上改變了其中一個裝置的設(shè)計(jì)，成功地將其現(xiàn)在的收集能力提高了一倍多。

準(zhǔn)確地說，這一研究小組的設(shè)備被稱為摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG，triboelectric nanogenerator）。正如其名，TENG依靠的是摩擦電效應(yīng)：如果一種材料與另一種材料發(fā)生摩擦，電荷就會從一種材料轉(zhuǎn)移到另一種材料。如果材料正確，TENG就能將移動電荷轉(zhuǎn)化為電能。名稱中的“納米”部分則來自材料：要制造有效的TENG，需要用非常小的結(jié)構(gòu)來塑造材料，以調(diào)整電交換，從而汲取更多的電流。

波浪能需要更多的新思路。該領(lǐng)域曾有過許多錯誤的出發(fā)點(diǎn)，迄今為止安裝的功率還不到千兆瓦但樂觀的設(shè)想是，到205年，全球波浪能裝機(jī)容量可能達(dá)到100千兆瓦。波浪發(fā)電對島國和偏遠(yuǎn)島嶼社區(qū)尤其具有吸引力地方，發(fā)電廠用地可能稀缺，但波浪卻永遠(yuǎn)不缺。

納米發(fā)電機(jī)走向摩擦電技術(shù)

TENG是一項(xiàng)相對較新的發(fā)明。2012年，北京科技大學(xué)和佐治亞理工學(xué)院的材料科學(xué)家在嘗試構(gòu)建磁場傳感器時首次創(chuàng)造了這種裝置。研究人員很快意識到，這種裝置可以用作能量收集器。一年后，佐治亞理工學(xué)院的同一研究小組推出了依靠水的TENG。當(dāng)水波沖過納米級硅膠金字塔陣列時，該裝置產(chǎn)生了非常小的電流。

研究人員之所以如此熱衷于這種液固結(jié)合的TENG，部分原因在于水本身就是電交換的參與者之一。因此，該裝置因摩擦而產(chǎn)生的磨損應(yīng)該會小得多。此外，它還不需要彈簧、轉(zhuǎn)子、渦輪或任何其他機(jī)械部件。不過，液固式TENG要想成為可靠的電源，還有很長的路要走。它們即無法產(chǎn)生足夠的電流量以投入實(shí)際生產(chǎn)，也無法保證產(chǎn)出可以持續(xù)滿足需求的穩(wěn)定電流。

因此，這一設(shè)備的基本設(shè)計(jì)仍然在經(jīng)受審視與改進(jìn)，以努力提高其性能。標(biāo)準(zhǔn)的液-固TENG看起來就像一個密封的管子，里面裝有一部分水，中間放置一個電極。當(dāng)管子在波浪中來回?fù)u晃時，水在管子內(nèi)晃動并穿過電極，從而產(chǎn)生電流。

長沙研究小組決定將電極移到管子的一端。理想情況下，這樣可以讓電極接觸到更多的水量、更多的電荷，并產(chǎn)生更大的電流。在順利獲得計(jì)算建模展示了他們的設(shè)計(jì)優(yōu)勢之后，研究人員制作了一個聚合物管，并在其中注入去離子水，將其放置在一個傾斜的水平平臺上，讓它來回?cái)[動。

事實(shí)上，他們的確觀察到了一些顯著的變化。與標(biāo)準(zhǔn)的液-固TENG相比，長沙小組的裝置產(chǎn)生的電壓是它的3.5倍，電流是它的2.3倍，電量是它的3.5倍。此外，研究人員還利用水在25厘米長的管子中的晃動，點(diǎn)亮了由35個發(fā)光二極管組成的陣列并讓他們不停閃爍。

研究人員同時展示了一項(xiàng)額外的收獲，他們改進(jìn)后的新型TENG能夠產(chǎn)生微弱的無線電信號。他們將一個天線與浸沒在另一個水箱中的電極連接起來。一個接收電極在40厘米外就能接收到信號。研究人員夢想著在海底安裝類似的由TENG供電的設(shè)備，在那里它們或許可以充當(dāng)一些水下通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。

這些都只是微弱的進(jìn)步，而像這樣的TENG可能無法立刻在電網(wǎng)中大顯身手。但長沙研究小組的實(shí)驗(yàn)表明，這種裝置有朝一日可能成為那些遠(yuǎn)離岸上電線的水下裝置的實(shí)用電源。

中南大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)家Guozhang Dai說："它可能會被用于環(huán)境監(jiān)測、水下勘探和水下數(shù)據(jù)傳輸，涉及海洋研究、海上能源和水下機(jī)器人等多個行業(yè)。

該研究小組于4月3日在《ACS能源通訊》（ACS Energy Letters）雜志上發(fā)表了他們的研究成果

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.4c00072。

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