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能源与国家发展密切相关,影响社会进步和全民福祉。海洋能约占地球能源总量的70%以上,然而海洋能的利用和采集技术发展相对缓慢。传统海洋能收集装置是应用电磁感应发电机,但其建造和运行成本高、转换效率低且稳定性欠佳,在采集无规律、低频能量方面仍具有一定局限性。摩擦纳米发电机以质量轻、成本低、发电效率高等独特优势,为采集海洋能提供了新思路和新技术。本论文基于摩擦纳米发电机原理研发海洋波浪能采集系统,以提高波浪能采集系统输出性能和输出稳定性为目的,为大面积采集海洋蓝色能源奠定基础。基于麦克斯韦位移电流理论,采用电容模型建立了垂直接触-分离式摩擦纳米发电机理论模型,利用COMSOLMultiphysics对该数学模型理论模拟,分析得出以下理论规律:1)摩擦材料介电常数与摩擦纳米发电机电学输出性能呈线性相关;2)薄膜厚度与摩擦纳米发电机的输出特性呈反比关系;3)介电层间距与摩擦纳米发电机电势输出呈正比。仿真分析揭示了麦克斯韦位移电流是摩擦纳米发电机产生电流的内在物理核心,为提高摩擦纳米发电机输出性能提供了理论支撑。利用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,简称PDMS)与聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,简称PVDF)纳米颗粒,制备一种柔性复合介电薄膜(PDMS-PVDF composite film,简称PPCF),经过调控PPCF的介电特性、膜厚和表面微观形貌,优化摩擦纳米发电机电学输出性能,得到最优瞬时功率密度为832.05 mW/m2。经过2200个循环连续运行测试,摩擦纳米发电机输出特性基本无衰减,表现出优越的稳定性,且在磨损过程中具有优异的结构保持和抗疲劳能力。在屈膝、摆臂、弯肘等运动激励下,摩擦纳米发电机实现了具有多种适应性的自供电摩擦纳米发电机,展示了其用于柔性可穿戴器件在能量收集、压力传感和人机交互方面的应用潜力。提出一种集成式多轨道摇摆结构摩擦纳米发电机系统(Multi-track Swing-structured Triboelectric Nanogenerator,简称MS-TENG),以高效采集低频波浪能,实验结果如下:1)MS-TENG内部独立单元之间最佳连接方式为并联;2)MS-TENG内尼龙球球径实验结果与模拟结论一致,最优球径为第一层30 mm,第二、三层是25 mm;3)在频率为0.21 Hz、摆幅为75 mm的条件下,MS-TENG开路电压(Voc)输出为507 V,并具有优异的稳定性和鲁棒性;4)在附加电阻为150 MΩ时,MS-TENG瞬时功率密度达到217.33 mW/m3。提出一种基于摩擦电-电磁复合发电机波浪能收集系统(Tribo-Electromagnetic Hybrid Generator,简称TEHG),既保留低频段TEHG高电压输出的优势,同时又弥补了 TEHG低电流密度的缺陷,经过参数优化与测试,实验结果如下:1)在频率为0.21 Hz、摆动幅度为60 mm,TEHG的电学输出性能Voc为800 V;2)当栅形电极数量优化为3个时,TEHG的平均功率密度可达到333.21 mW/m2;3)在波浪频率1.25 Hz、摆动幅度50 mm时,电磁发电机的Voc、短路电流(Iac)和功率密度分别为1.35 V、1.46 mA和65.72 mW/m2;4)TEHG复合输出最大功率密度达76.97 mW/m2,可点亮70多个LED灯和驱动电子计时器。本课题在查阅大量中外相关学术文献的基础上,基于摩擦电效应与静电感应效应耦合效应构建复合摩擦电-电磁发电系统以采集低频段波浪能,利用控制变量法对摩擦纳米发电机摩擦层的介电性、膜厚等关键参数进行研究,获得了应用于于海洋能收集系统的最优复合介电薄膜;搭建海洋能收集系统测试平台,在不同波浪条件下的测试结果表明:基于摩擦电效应的海波浪洋能采集系统和复合摩擦电-电磁发电系统均具有良好的环境适应性和稳定性,在大规模采集低频蓝色能源应用中具有无限潜力。