2026, Vol. 48
2. 大连海事大学 轮机工程学院 大连市海洋微纳能源与自驱动系统重点实验室，辽宁 大连 116026
2. Dalian Key Laboratory of Marine Micro/Nano Energy and Self Powered Systems, Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China
海洋浮标在海洋环境开发、科学研究、水文气象观测等方面具有重要作用，是海洋环境监测的重要工具之一[1]。通过锚泊或漂流监测特定海域，并结合雷达、船舶、卫星和岸基监测站，海洋浮标可装备各种类型的传感器和电子设备，构成一个高效、立体、全覆盖的海洋信息监测网[2]。但海上浮标的大规模布设，需要经济高效的电力供应体系。到目前为止，海洋浮标主要采用太阳能与电池相结合的电力供应方式，但伴随着使用时间短、存在污染风险等缺点，目前已逐渐不能满足浮标的工作要求，新的海洋浮标电力供应方式已成为研究的重点[3]。在海洋浮标工作的环境中，波能广泛分布，是一种清洁的、可再生的高品位能源。相对于风能、太阳能等传统清洁能源，海浪的能量密度更高，也更稳定、更具预测性[4]。目前开发利用波浪能主要以传统电磁发电机（EMG）为基础，如振荡式水柱、浮摆、振荡式浮能收集器，但因其质量大、体积大、造价高、安装难度大，故不适用于海洋浮标[5 − 6]。另外，波浪能量不规则、低频、低波幅的特性，为高效的波浪能量收集带来了新的挑战[7]。
摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）依托摩擦起电效应与静电感应耦合原理，在低频波（频率小于5 Hz）能量采集领域展现出相较于传统电磁发电机的显著优势。以摩擦起电效应和静电感应耦合原理为基础的摩擦纳米发电机，可以有效采集不规则的低频机械能，并将其有效转化为电能[8]。
在此之前，基于TENG已经开展了一些波能收集的研究工作。Zhang等[9]提出了能够有效收集波能的三电纳米发电机，其基础是海蛇结构，但只能采集到固定方向的波浪能。Xu等[10]提出一种塔式结构三电纳米发电机，可以对任意方向的波进行采样，但装置的空间利用率仍需进一步提高。Wang等[11]提出具有高功率密度和空间利用率的夹层式摩擦电纳米发电机（S-TENG），但该装置难以保证S-TENG单元电流输出处于同一相位，极易造成输出损耗。因此，波能采集需要一种更为有效的途径。
本文提出一种波纹状摩擦纳米发电机（C-TENG），用于海浪能量收集，可与多个传感器集成，用于自供电的海洋浮标[12]。C-TENG由聚乳酸波纹板、铝电极、聚乳酸隔离片、聚乳酸平板、聚四氟乙烯球体组成，铝电在波纹板和平板的表面形成一对相连的电极体。聚四氟乙烯球在波浪的激励下，在平板与波纹板之间的固定通道中，可以自由滚动，从而使波能得到有效的收集。另外，聚四氟乙烯球体在固定通道的约束下，均以相同相位滚落，使得同向堆叠的C-TENG单元产生相同的电能输出，避免整流时产生的电能损耗。C-TENGS具有可堆叠性，在陆地上进行的强制运动实验表明，随着C-TENGS单元数量的增加，该装置的总输出量增加，为大规模整合C-TENGS提供了基础。并在此基础上通过水下验证实验，能有效为海上小型传感器进行供电。总之，所提出的C-TENG能够有效地解决海洋浮标的自供电能源问题，在蓝色能源采集和海洋环境监测领域具有广阔的应用前景。
1 C-TENG 结构原理与性能 1.1 C-TENG的结构原理图1为C-TENG在海洋中的工作场景示意图。自供电海上浮标发电模块由10层C-TENG在相同方向堆叠而成，并采用亚克力板密封罩封住，并联C-TENG单元的数量可以调节，从而产生不同水平的电力输出。
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图 1 C-TENG在海洋中的工作场景示意图 Fig. 1 Schematic diagram of C-TENG working in the ocean |
C-TENG的内部结构如图2所示，其组成包括：通过3D打印技术制作的PLA波纹板，该波纹板的长度为115 mm、宽度为120.5 mm、厚度为2 mm，波纹高度达到16 mm；厚度为2 mm、长120.5 mm、宽16 mm的PLA密封片；长和宽均为120.5 mm、厚度2 mm的PLA平板；以及直径为10.5 mm的PTFE球。值得注意的是，铝电极分别连接在PLA波浪形隔板和PLA平板的表面。
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图 2 C-TENG的内部结构示意图 Fig. 2 Diagram of the internal structure of the C-TENG |
C-TENG的工作原理如图3所示。PTFE球通过波浪的激励在波纹板与平板之间形成的三角通道中，进行自由地滚动运动。由于PTFE球为驻极体，因此PFTE球在多次接触三角通道表面的铝电极点后，PTFE球表面带负电。根据静电感应，当带负电的小球从波纹板左侧滚到右侧时，右侧的铝电极上会被感应出正电荷，此时电子就会从右侧电极通过外电路转移到左侧电极上，形成电流回路。当PTFE球滚回时，通过外回路将左侧电极上的电子转移到右侧电极上，从而形成反向电流。因此，当三角形通道中的PTFE球呈周期性滚动运动时，便会形成周期性的交流电。
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图 3 C-TENG的工作原理 Fig. 3 The working principle of the C-TENG |
利用有限元模拟的COMSOL Multiphysics软件建立C-TENG二维模拟平台，并研究2种摩擦材料在运行过程中的电势分布。基于独立层式摩擦纳米发电机，本文选用4个二维矩形来代表AL电极，圆形代表PTFE小球，小球位置代表运动方向。在模型向导中选择二维模型，选择AD/DC模块，静电接口，添加稳态研究。然后绘制模型，并给整个几何模型附加材料及属性：将电极的厚度设置为2 mm，材料选择为FEP，将介电材料厚度设置为0.5 mm，材料设置为铝，小球直径5 mm，材料为PTFE，将两薄膜周围的区域设定为空气域。之后使用三角形网格进行网格划分，由于空气对系统电场分布影响不大，因此在空气领域设置常规即可，其中介电材料铝电极和PTFE小球在用细化分。在网格划分过程中不断改变网格疏密程度，观察计算结果变化，取整体网格数约为
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图 4 电极电势 Fig. 4 Potential of electrodes |
在网格数超过
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图 5 C-TENG模型网格划分 Fig. 5 Grid generation of C-TENG model |
通过有限元对电极对在不同状态下的电位分布进行分析。如图6所示，电位轮廓清楚地显示电极对间的电位差，在外部电路中会推动电流流动，可以看到单层C-TENG发电单元最大输出电势差可达400 V，符合实验结果。
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图 6 COMSOL计算的电极对的相应电位分布 Fig. 6 The corresponding potential distribution of the electrode pair calculated by COMSOL |
C-TENG在设计时采用固定轨道相对于小球无规则运动具有更好的性能输出效果。图7(a)为C-TENG单层结构示意图，明显看到小球在运动过程中有着同一方向，小球通过固定轨道的方式，具有相同的电力输出，有效避免了整流引起的电力损失。图7(b)为S-TENG单层结构示意图，采用无固定轨道方式，在运动过程小球可能互相干扰，每个小球单元产生的交流电相位不同而相互抵消，无法有效地提高发电量。
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图 7 2种轨道TENG模型对比图 Fig. 7 Comparison chart of 2 orbital TENG models |
在相同条件下改变单一变量是实验研究的重要方法，先将2种不同轨道TENG先分别在振幅为相同条件下研究随着频率改变其输出效果如何。其实验对比结果如图8所示，当波浪频率f增加时（此时振幅保持固定为130 mm），短路电流Isc继续增加，其中C-TENG峰值电流在2 Hz时达到最大值2.64 μA，S-TENG峰值电流在2 Hz时达到最大值1.1 μA，仅为C-TENG峰值电流的一半左右，S-TENG电荷转移量仅为C-TENG的1/3。
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图 8 波浪频率对不同轨道结构影响 Fig. 8 Effects of wave frequency on different orbital structures |
在图9中保持相同频率，改变振幅，其结果显示，设计轨道后的C-TENG其性能输出均远大于小球无规则运动模式。从实验结果分析，验证了轨道设计的优越性，同时也为后续实验奠定了基础。图10为惯性PTFE小球数量与C-TENG发电单元输出性能的关系。结果显示，随着小球数量的增加，峰值电流和转移电荷量呈现先升高后降低的变化趋势。当每个轨道的小球数量n=5时，输出性能达到最佳状态，此时感应的短路电流Isc最大值为2.64 μA，转移电荷量达到210 nC。而当PTFE小球数量增加到n=9时，可以明显看到感应的短路电流Isc下降至1.6 μA。这是因为惯性球数量多，阻尼力越大，小球之间的运动干扰更为复杂，进而导致C-TENG发电单元的输出性能下降。
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图 9 波浪振幅对不同轨道结构影响 Fig. 9 Effects of wave amplitude on different orbital structures |
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图 10 小球数量对实验影响 Fig. 10 Effect of the number of small balls on the experiment |
本节通过陆上强迫运动实验，采用10层C-TENG发电单元，系统地研究了C-TENG的输出性能。实验装置如图11所示。使用直线电机迫使C-TENG单元以不同的频率（0.4 Hz＜f＜2.0 Hz）和振幅（50 mm＜A＜130 mm）移动，以模拟其在海浪中的运动。C-TENG的电输出由Keithley
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图 11 C-TENG单元（10层）平台示意图 Fig. 11 Schematic diagram of C-TENG unit (10th floor) platform |
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图 12 不同波段频率下C-TENG输出性能对比图 Fig. 12 Output performance comparison chart of C-TENG at different band frequencies |
C-TENG装置的输出性能与波幅A之间的相关性如图13所示，调整直线电机的冲程距离以模拟不同的波幅。在频率为2 Hz时，可以看到短路电流Isc随着振幅从50 mm到130 mm的增加而增加，当振幅为130 mm时达到峰值25.5 μA。原因是振幅越大，能量越高，所以C-TENG产生的电流就越大。随着振幅从50 mm增加到90 mm，短路转移电荷量Qsc迅速增加。当A>90 mm时，短路转移电荷Qsc几乎保持不变，因为聚四氟乙烯球的有效滚动位移达到最大值，也就是轨道通道的长度。
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图 13 在不同波幅下C-TENG输出性能对比图 Fig. 13 Comparison chart of C-TENG output performance under different wave amplitudes |
图14为C-TENG单元的输出电流与频率和振幅之间的关系。可以发现，输出电流随着频率和振幅的增加而增强。
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图 14 不同波频和波幅下的电流的三维图 Fig. 14 Three-dimensional maps of currents at different wave frequencies and amplitudes. |
由于海洋中波浪能的方向具有不确定性，且浮标在实际应用中难以保证运动方向与波浪方向完全一致，因此需要探究不同波浪角度对C-TENG发电单元的影响。C-TENG单元的输出电流、电荷与波向之间的关系如图15所示。波向和电极方向之间的角度α的定义见图16。
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图 15 波的方向和电极方向之间的角度α的示意图 Fig. 15 Schematic of the angle ɑ between the direction of the wave and the direction of the electrode |
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图 16 波浪来流角度ɑ对C-TENG输出影响 Fig. 16 Influence of wave and current angle on C-TENG output |
在实验中，通过改变α来测量短路电流和转移的电荷量。显然，当α=0°时出现最大电输出（Isc=24.2 μA，Qsc=2.0 μC），此时滚动球体的加速度方向与电极方向平行，使得PTFE球获得最大有效位移。当角度α从0°逐步增大至90°时，由于PTFE球在三角形通道内的有效位移减小，C-TENG的电输出也相应降低。图17为C-TENG单元在不同负载条件下的输出电流与功率密度。C-TENG的性能评估中，内阻、输出功率和功率密度是关键指标。为了测量其最大输出功率和功率密度，通常需要连接外部负载电阻R，并通过调节该电阻值来确定器件的内阻及功率特性。根据欧姆定律，C-TENG的输出功率可通过以下关系式计算：
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图 17 C-TENG发电单元功率负载曲线 Fig. 17 The output current and power density of C-TENG unit under different resistances |
| $ {P}_{{\mathrm{C-TENG}}}={R}_{外}\left(\frac{{U}_{{\mathrm{C-TENG}}}}{{R}_{{\mathrm{C-TENG}}}+{R}_{外}}\right)^{2} 。$ | (1) |
对式(1)求导可得：
| $ \begin{split}&{P}_{{\mathrm{C-TENG}}}^{\prime}=\frac{{\mathrm{d}}{P}_{{\mathrm{C-TENG}}}}{{\mathrm{d}}{R}_{外}}={U}^{2}_{{\mathrm{C-TENG}}}\times \\ &\frac{({{R}}_{{\mathrm{C-TENG}}}+{R}_{外})^{2}-2{{R}}_{外}({R}_{\mathrm{C}-\mathrm{TENG}}+{R}_{外})}{({R}_{{\mathrm{C-TENG}}}+{R}_{外})^{4}}=0 。\end{split}$ | (2) |
即当：
| $ {R}_{外}={{R}}_{{{\mathrm{C-TENG}}}}，$ | (3) |
| $ {P}_{\max }=\frac{{U}^{2}_{{\mathrm{C-TENG}}}}{4{R}_{{\mathrm{C-TENG}}}}。$ | (4) |
式中：PC-TENG为C-TENG功率；R外为外接电阻；UC-TENG为C-TENG两端电压；RC-TENG为C-TENG内阻；Pmax代表最大功率。从推导公式可知，当外载电阻与C-TENG内阻相等时，即可求得C-TENG发电单元的最大输出功率和最大功率密度。实验中通过线性电极将C-TENG的运动振幅和频率设定为130 mm和2 Hz，将C-TENG发电单元与电阻箱串联，负载电阻从10 MΩ开始逐步增加至10 GΩ，每次递增10 MΩ，以保证采集足够多的样本数据。具体实验结果见图17。随着外载电阻的增大，电流输出逐渐降低，输出功率则先升高后降低，在550 MΩ左右达到最大输出功率，约为133.35 mW，对应的功率密度为48.23 W/m3，相较此前的研究成果有显著提升。
2 C-TENG水下监测实验为系统评估C-TENG在海洋监测网络中的实际供电性能，本文设计了基于波浪能采集的实证方案。图18为C-TENG海洋波浪能测试平台的示意图，该测试平台尺寸规格：长为1.8 m、宽为1.3 m、深为0.8 m，通过线性电极对波浪推板进行控制来实现波浪制造，并在波浪水槽末端采用消波板进行消波，以减少边界水槽对器件影响。每个C-TENG发电单元（10层结构）长和宽均为120 mm，高度为182 mm，重量达1.92 kg，若加上亚克力外壳，总重量则为2.42 kg。为保证浮标在波浪作用下发生水平摇晃后能具备良好的回中性，需要在亚克力外壳内部的最下方安装配重块，根据浮力平衡计算得到其配重质量约为0.96 kg。器件底部通过钢索与水槽底部进行连接。
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图 18 C-TENG海洋波浪能模拟测试平台 Fig. 18 The ocean wave energy simulation test platform of C-TENG |
为验证摩擦纳米发电装置的水下供电性能，搭建了集成温度与PH传感系统的测试平台。设备经桥式整流器和储能电容构建能源管理模块。在温度传感组中，220 μF电容在机械驱动下2 min充电至1.64 V，放电阶段成功维持传感器稳定工作并测得11.7℃水温值。PH检测系统则需更高效的持续供能方案：当装置保持运动状态时，储能单元每5 min完成一次充放电循环，最终PH读数稳定于7.5。实验数据与主流海洋传感装置的功耗需求相匹配，证明该发电系统可拓展应用于海洋溶解氧、压力梯度等多元参数监测场景。
3 结 语本文提出一种用于波浪能收集的可堆叠的波纹状TENG，它可以与多个传感器集成，用于自供电的海洋浮标。C-TENG由3D打印的PLA波纹板、平板、隔离板和PTFE球组成，而铝电极则成对连接在波纹板和平板的表面。C-TENG利用在波纹板和平板之间形成的三角形通道中自由滚动的PTFE球来有效地收集波能。由于聚四氟乙烯球在三角形通道的约束下以相同的相位滚动，C-TENG的电力输出随着更多的无整流器的平行连接单元的数量而增加。事实证明，当一个区块中平行连接的C-TENG的数量从1个增加到10个单元时，相应的电流从2.64 μA增长到25.5 μA。在强迫运动实验中，10层平行连接的C-TENG单元的功率密度达到48.23 W/m3。通过水下实验，验证了C-TENG能够服务于各种海洋平台并可为大多数海洋传感器进行供能。本文C-TENG的设计为长航时自供电海洋浮标的能源供应提出了可行的解决方案，对未来分布式海洋环境监测系统的建设具有重要意义。
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