在全球范围内广泛分布的海洋能是目前最有前景的可再生能源之一,理论上传统的电磁发电机(EMG)可用于收集海洋能,然而它在收集不规则和低频(<5 Hz)运动能量时存在诸多局限,使海洋能难以得到有效利用。最近发明的摩擦纳米发电机(TENG)在收集低频水波运动能量方面比电磁发电机更有优势,将TENG制备成发电网络可用于大规模海洋能的收集,满足人类的能源需求。然而海水的长期腐蚀、水气和海水的高离子浓度都对摩擦起电能力有负面影响,因此对TENG进行封装是TENG实现海洋能收集的一个必要过程。近来提出了利用成对磁铁之间的非接触吸引力完成从波浪(外部机械源)到TENG的机械传动,将波浪的机械能经由TENG转化成电能,从而实现TENG部分的封装。海浪驱动成对磁铁中的一个磁铁运动,使另一个磁铁在磁铁间吸引力的作用下运动,带动与之相连的TENG的两个摩擦层不断地发生相对运动,因此可以将TENG封装起来。同时,与铜线圈结合又可以形成EMG,实现TENG和EMG的复合。然而,如何构建高效率和持久耐用的TENG与EMG的复合发电系统来收集不规则和低频的海洋能仍面临挑战。基于以上现状,本文的主要工作是设计并构建适应波浪运动的耐用的海洋能发电系统,使之能有效收集海洋能,使海洋能真正实现大规模应用。本文将不同的能量采集器进行整合,分别设计了盒子状、滚轮状和活塞式的复合发电系统,充分利用各个部件的优势,用以收集不同形式的海洋能,从而达到有效收集能量的目的。论文主要包括三个工作,涉及三种不同结构的能量采集器。主要研究结果如下:(1)构建了一种多功能的复合发电单元,该装置由接触分离式摩擦纳米发电机(CS-TENGs),独立滑动式电磁发电机(FS-EMGs)和防水硅基太阳能电池(WS-SC)所组成;当收集海浪动能时,独立滑动式电磁发电机底部的磁铁在海浪的驱动下向前或向后移动,使得顶部的磁铁在非接触吸引力作用下向上或向下移动,带动接触分离式摩擦纳米发电机的两个摩擦层不断地接触分离;摩擦纳米发电机能够高效地收集低频(<0.5 Hz)运动能量,而电磁发电机能在较大的频率下实现较大的输出,它们的复合达到了在宽频率范围内收集蓝色能源的目的;此外,考虑到海面上有充足的光照,太阳能电池可以很容易地集成起来,同时收集太阳能;在2 Hz的运动频率下,TENG的开路电压为142 V,而短路电流为23.3μA;EMG的开路电压为0.66 V,而短路电流为2.14 m A;太阳能电池的总功率转换效率可达5.1%。(2)构建了一种全封装的摩擦-电磁复合发电机(TEHG),它同样用磁铁作为触发器来驱动接触分离式摩擦纳米发电机(CS-TENGs),与铜线圈结合又可以形成旋转独立式电磁发电机(RF-EMGs);成对的磁铁通过相互的吸引力将外部机械能传递给CS-TENG,实现CS-TENG部分的封装,保护其不受周围环境的影响;在100 rpm的转速下,CS-TENGs分别提供315.8 V的输出电压,44.6μA的输出电流和90.7μW的平均功率,同时RF-EMGs的输出分别达到0.59 V,1.78 m A,和79.6μW。滚轮状的TEHG更容易被水流驱动,能够建立一个基于TEHG的自供电水温感应系统,实时监测海水温度的变化。(3)构建了一种复合滚动球形纳米发电机、独立层模式纳米发电机和环绕式电磁发电机的混合发电系统,实现了水波能的有效转化;在波浪运动时,浮球的起伏会通过刚性连接以同样的力度传给活塞式能量收集器,这样三个部分可以同时产生输出;在5 Hz的频率时,滚动球形纳米发电机产生150 V的开路电压和1.6μA的短路电流;独立层模式纳米发电机产生358 V的开路电压和5.73μA的短路电流;而环绕式电磁发电机的开路电压可达到1.63 V,短路电流可达到5.12 m A左右;另外,与之前提出的利用磁铁的非接触吸引力实现机械传动的原理不同,这里的磁铁只作为定子,磁铁间的吸引力能确保纳米发电机的定子完全不动;这种复合发电机不仅可以直接给发光二极管供电,也可以将电能储存在电容器、电池等储电设备中。