唐群委教授课题组在海洋能采集领域取得重要进展

发布单位:机构人员汇总 [2021-11-19 00:00:00] 打印此信息

近日,信息科学技术学院唐群委教授课题组在基于混合电磁-摩擦纳米发电机的自驱动海洋无线定位领域取得重要进展,文章以“Self-powered seesaw structured spherical buoys based on hybrid triboelectric-electromagnetic nanogenerator for sea surface wireless positioning”为题发表在Energy & Environmental Science (IF:38.532)上,洪泓鑫硕士生、杨希娅副教授为共同第一作者,暨南大学杨希娅副教授和唐群委教授为共同通讯作者。

(Energy & Environmental Science期刊截图)

随着现代工业社会的快速发展,能源短缺和环境污染是人类面临的两大挑战,发展可再生清洁能源已成为缓解化石燃料过度开采造成的资源枯竭和环境恶化的全球战略选择。高效开发利用海洋能是保障能源安全、保护生态环境、应对气候变化、实现 “碳达峰·碳中和”目标的有效途径,其中波浪能具有功率密度高和分布广泛等优点,被认为是最有应用前景的海洋能源之一。近年来,摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator,简称TENG)逐渐形成了自供电和无线移动的发展趋势。然而,TENG固有的电容阻抗特性仍然限制了其功率密度输出,无损信号同步输出对于最大化功率输出也是必不可少的。将摩擦发电效应与电磁感应效应相集成,结合两者输出特性的互补性构建复合型波浪能发电机,既可保留低频段TENG高电压输出的优势,又可以利用EMG在高频段工作的特点采集较高频率的波浪能,是制备宽频域、高电流密度波浪能发电机的有效途径之一。

该工作报道了一种基于混合电磁-摩擦电纳米发电机的宽频波浪能采集和海面无线定位的自驱动跷跷板式球形浮标装置(SSTE-HNG)。单元浮标通过采用中央滑块作为核心构件,巧妙的实现了三个模块(OZ、FL、EMG)两种模式(接触-分离式、滑动式)的同步运动以及两种效应的协同发电。通过系统研究三个模块的振荡频率和摆幅,优化电学输出性能, 其中锯齿形多层折纸模块(OZ)、独立层滑动式模块(FL)和电磁模块(EMG)的瞬时最大输出功率密度在 0.7Hz 的振荡频率下分别达到 17 W/m3、4.8 W/m3 和 9.8 W/m3,可同时点亮约 410 个 LED灯珠。进一步采用晶体管控制的电源管理电路交替切换过渡电容器串/并联结构,有效解决了SSTE-HNG与储能电容之间的阻抗匹配问题,显着提高了对商用4.7mF电容器充电的充电速率,使得最终输出电压稳定至2.7 到 3.3 V 范围内,从而自驱动 GPS 模块实现海面实时无线定位。该项工作为混合效应发电机的协同运动提供了一种巧妙的设计思路,SSTE-HNG 最终可构成仿生“章鱼”结构实现波浪能的多向采集,并有望与分布式传感器网络集成,应用于蓝色能量采集和智能海洋自驱动监测等领域。

该项研究工作得到了国家重点研发计划(2021YFE0111000)、国家自然科学基金(61774139, 62004083, U1802257)、广东省自然科学基金(2019B151502061, 2020A1515011123)等科研项目的资助。近年来,唐群委和杨希娅等教师组成的科研团队,围绕高性能驻极体制备、混合效应能量采集、摩擦电荷密度提升等关键问题,致力于波浪能、人体动能等低频机械能转换材料与器件的研发,获得了一系列原创性研究成果。

原文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ee/d1ee02549j

(信息科学技术学院)

责编:闫芳


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