大量水下航行器、航标灯、浮标、潜标等海洋监测设备为海洋运输、开发、管控与科学研究提供实时、准确的信息,是推进海洋强国战略及建设智慧海洋的重要基础。目前,海洋监测设备主要依靠电池供电。由于海洋环境复杂、电池容量有限,导致数量多、分布广的海洋监测设备面临巨大供电挑战。而研究先进的海洋能采集技术是解决监测设备持续供电问题的重要途径。加拿大AXYS公司的WindSentinel浮标已经在蓄电池的基础上,增加了风电和太阳能两种能源补给方式。中国船舶重工集团公司第七O一研究所、国防科技大学、天津大学、上海交通大学等在温差能驱动的监测平台领域开展大量研究。相比海上太阳能、海上风能、温差能,波浪能是一种品位高、能流密度大、分布范围广的海洋能。中国、美国、日本、英国等海洋大国均十分重视波浪能研究,相继在海上建立了基于电磁感应发电机的大型波浪能转换装置。然而这些装置难以捕捉小幅度、方向随机的波浪运动,且存在成本高、体积庞大等问题。因此,亟需研究面向海洋监测设备供能的新型高效波浪能采集技术。摩擦纳米发电机基于麦克斯韦位移电流原理,将摩擦起电和静电感应相结合,能直接将无规则的低频机械运动(如人体运动、振动、波浪)产生的能量高效地转化为电能,在物联网、环境感知、安全监测等方面有着巨大应用前景。在前期工作基础上,本文提出了一种新型塔式结构的摩擦纳米发电机(Tower-like Triboelectric nanogenerator,T-TENG),能将海洋中低频且多方向的波浪运动产生的机械能高效地转换成电能。可以应用于波浪能采集,海洋传感节点自供能,海洋牧场以及海洋能源岛等多个领域。通过建立浮体在波浪中的动力学模型,建立了浮体内部发电单元与外界海洋波浪的流-机-电耦合模型,分析影响摩擦纳米发电机发电性能的影响因素,并进行水池实验。主要研究内容与结论如下:首先,本文通过理论和实验分析,设计了应用于海洋波浪能高效采集的塔式结构摩擦纳米发电机,并进行了相关实验,建立了摩擦纳米发电机与浮体波浪之间的流-机-电耦合模型,验证了该摩擦纳米发电机能与特定频率下的波浪发生共振从而使得输出性能最大化。其次,本文探索了影响塔式结构的摩擦纳米发电机输出性能的相关因素,如:部发电单元惯性球的数目、大小、介电层材料、浮体运动频率、振幅、来流方向和发电单元数目等。实验结果表明,在T-TENG作为电流源的基础之上,研究证实了 1-10层发电单元的短路电流ISC、负载两端电压VR、转移电荷量Q以及功率密度都呈现成倍线性增加的趋势。针对海洋监测设备的供电问题,为突破传统波浪能转换装置难以捕捉多方向波浪的局限性,将波浪能高效转化成电能,提升海洋监测设备的续航能力,通过将发电单元的数量从1增加到10,T-TENG的功率密度可从1.03 W/m3线性增加到10.6 W/m3。这表明由于其独特的机制和结构,T-TENG的功率密度可通过提高并联发电单元的数量成比例地增加。因此,T-TENG的设计被认为是构成T-TENG拓扑网络来对大规模蓝色能源进行收集的有效方法。本文依据摩擦纳米发电机优异性能,结合现有海洋波浪能采集的背景并采用了先进的科学技术以及系统来设计实验方案,提出了一种新型波浪能高效采集装置,为海洋智能传感网、海洋牧场等科研项目的自驱动提供了新思路。