【摘 要】
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随着海洋浮标的大量布放,目前以电池供电为主的海洋浮标面临电能有效、电池更换成本高等问题,亟需研发新型环境能量捕捉技术,以实现海洋浮标的自供能。海洋波浪能作为新型能源研究领域中的热点,具有能量密度高、分布广等优点,是清洁可再生的高品位能源,利用波浪能进行浮标供电,对于浮标自供电具有极其重要的意义。为此,本文利用摩擦纳米发电原理,创新性地提出了一种类波纹状摩擦纳米发电机（Corrugation-lik
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随着海洋浮标的大量布放,目前以电池供电为主的海洋浮标面临电能有效、电池更换成本高等问题,亟需研发新型环境能量捕捉技术,以实现海洋浮标的自供能。海洋波浪能作为新型能源研究领域中的热点,具有能量密度高、分布广等优点,是清洁可再生的高品位能源,利用波浪能进行浮标供电,对于浮标自供电具有极其重要的意义。为此,本文利用摩擦纳米发电原理,创新性地提出了一种类波纹状摩擦纳米发电机（Corrugation-like triboelectric nanogenerators,C-TENG）,用于收集不规则的低频波浪能,为海洋浮标等供能。本文设计的C-TENG结构通过使用曲折面设计大大提高了小球与铝电极的接触面积,提高了发电效率,并且小球运动被限制在固定通道里,在波浪作用下所有小球运动方向一致,输出不受相位影响,有利于集成于海洋浮标内部作为供电模块,并将工作环境中的波浪能不断转化为电能,从而实现海洋浮标内部自供能工作。本文围绕C-TENG的结构设计、输出性能、应用演示等方面开展了系统研究工作,主要研究内容和结果如下:（1）本文通过对独立层摩擦纳米发电机的工作原理进行理论分析,研究了C-TENG工作原理,并实验验证了通过固定轨道的设计能大幅度提高TENG的输出性能,并利用COMSOL软件模拟了C-TENG发电单元界面电势电位,分析了PTFE小球在运行过程中不同位置时的电势变化,为后续实验数据的测量提提供理论基础。（2）在对C-TENG输出特性受到器件结构的影响进行了实验探究,研究不同介电材料的发电性能、惯性球的数目、器件连接方式以及波浪频率、振幅、来流方向、发电单元层数对C-TENG输出性能的影响,并进一步探究了单个C-TENG（10层）对电容充放电特性及其功率负载特性以及4个并联排列C-TENG的输出特性和最大功率的变化趋势。根据实验测试在频率2Hz、振幅130mm波浪条件下C-TENG发电单元可以产生最大25.5μA、1.98μC的短路电流和转移电荷量,输出功率达133.35mW,功率密度可达48.23W/m~3,相较结构设计前已有40%的提高。（3）建立波浪传感器实验验证平台,采用线性电机控制推波板造波来模拟海浪环境,研究C-TENG在水下运动时的输出性能并为水下传感器进行供电,结果表明C-TENG可满足温度计、PH测试仪等大多数水下传感器供电,并在模拟海洋环境下可持续为350盏高强度LED等进行点灯供能。综上,本文提出的类波纹状摩擦纳米发电机能够有效收集海洋波浪能量,具有良好的性能输出和稳定性,在浮标供电等领域有着广阔应用前景。
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