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  海洋物聯(lián)網(wǎng)(Marine internet of things, MIoT)是海洋開發(fā)和保護的重要基礎(chǔ)，它由大量的水下分布式傳感器組成，用于監(jiān)測波浪、潮汐等各種參數(shù)。這些傳感器高度依賴電池，存在維護成本高、維修工作繁瑣、電池污染環(huán)境等缺陷。利用原位海洋波浪能為海洋傳感器供電成為了新的發(fā)展趨勢。目前市面上多數(shù)波浪能采集裝置為電磁發(fā)電機(EMG)，但EMG在低頻條件下很難保持高效工作。在不斷變化的海洋環(huán)境下，亟需一種更加穩(wěn)定的供電方式，持續(xù)為水下分布式傳感器提供能量。

  針對上述問題，大連海事大學(xué)輪機工程學(xué)院、大連市海洋微納能源與自驅(qū)動系統(tǒng)重點實驗室徐敏義教授團隊和中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士合作，提出了一種適用于海洋物聯(lián)網(wǎng)供電的基于仿海草摩擦納米發(fā)電機（S-TENG）波浪能采集裝置。

  該團隊選擇由導(dǎo)電油墨覆蓋的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），導(dǎo)電油墨覆蓋的氟化乙烯丙烯共聚物(Fluorinated ethylene propylene, FEP)和兩片聚四氟乙烯膜（PTFE）制成仿海草摩擦納米發(fā)電機（S-TENG），靈活的柔性結(jié)構(gòu)使其能在沿岸水面、水中和水下實時將波浪能轉(zhuǎn)化成電能。

圖1. S-TENG結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用示意圖。(a)仿海草摩擦納米發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖；(b)S-TENG的實物照片和材料表面形貌的側(cè)視圖；(c)S-TENG的工作原理；(d)S-TENG在海洋物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。

  由于仿海草摩擦納米發(fā)電機（S-TENG）在波浪條件下的擺動屬于受迫振動，S-TENG可近似看成具有高拉伸剛度和低彎曲剛度的薄膜結(jié)構(gòu)，因此本文對S-TENG的彎曲特性進行進一步探究，實驗結(jié)果表明，隨著斯特勞哈爾數(shù)（Strouhal number，Sr）和長寬比（aspect ratio）的增加，薄膜的依次出現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)、一階模態(tài)和二階模態(tài), 通過對上述狀態(tài)輸出信號對比分析得出一階模態(tài)的輸出特性最佳，能在海洋環(huán)境中獲取最多的能量。

圖2. S-TENG的實驗裝置和振動特性。(a)S-TENG實驗裝置和材料表面掃描電鏡圖；(b)S-TENG的振動模型；(c)S-TENG的模態(tài)分布圖。

  基于上述研究結(jié)果，本文進一步研究仿海草摩擦納米發(fā)電機（S-TENG）在各種狀態(tài)參數(shù)下的輸出性能，結(jié)果表明9個S-TENG并聯(lián)可輸出開路電壓120.6V、短路電流8.7μA和功率79.023μW的功率，具有巨大的應(yīng)用前景。

圖3. S-TENG在不同條件下的輸出性能探究。

  綜上，柔性、低成本、強適應(yīng)性、高穩(wěn)定性的仿海草摩擦納米發(fā)電機(S-TENG)可應(yīng)用于海上浮標的能源供給、水下電站和沿海堤壩的波浪能能量采集，是實現(xiàn)海洋物聯(lián)網(wǎng)（MIoT）水下傳感器自驅(qū)動工作的有效方法。

  該成果發(fā)表在ACS Nano(ACS Nano, 10.1021/acsnano.1c05127)上。論文的第一作者為大連海事大學(xué)輪機工程學(xué)院博士生王巖，共同第一作者為大連海事大學(xué)輪機工程學(xué)院碩士生劉翔宇、大連海事大學(xué)輪機工程學(xué)院碩士生王雅巍，通訊作者為中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士，共同通訊作者為大連海事大學(xué)輪機工程學(xué)院徐敏義教授。

  文章鏈接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c05127