海洋波浪能以其全天时、全天候的能量采集、零碳排放的可持续清洁能源特性而备受关注。原位收集波浪能可为海洋传感设备提供可持续的分布式能源，在海洋信息技术和海洋物联网等领域具有重要应用前景。摩擦纳米发电机（TENG）因其高效、可靠和适应低频的特性而成为波浪能收集的潜力技术。目前，许多TENGs及其复合系统用于收集波浪能。然而，现阶段大多数波浪能收集装置的性能通常是通过直线电机、六自由度平台等模拟运动，以及实验室模拟水波条件下完成的，对其在真实海洋环境中的性能研究很少，这制约了其发展和在海洋中的应用。

近日，广西大学蓝色能源团队提出并设计了一种高灵敏度模块化的穿梭式混合纳米发电机(MSHG)。该混合发电机由接触-分离式TENG、压电发电机(PENG)和电磁发电机(EMG)组成，其滚轮的设计使其高灵敏度响应各种低幅值运动，更适合高效收集海洋水波能。通过将惯性测量单元与MSHG集成到器件中，系统研究了MSHG从实验室模拟条件到真实海浪等各种条件下的加速度特性和电气性能，并获得了MSHG 在真实海洋环境中的实时电学输出特性以及加速度幅值特点。与常规的实验室模拟运动触发的规则输出不同，真实海洋环境下，加速度和输出性能都呈现明显的波动随机性，其中加速度的峰值分布符合正态分布的特征。进一步统计分析显示，器件最概然的输出频率达到了0.83Hz，约为海洋波浪的主要频率（0.1-0.2Hz）的四倍。最后，集成了12个MSHG 的系统有效地收集海洋水波能为水质检测器供电，其最概然的加速度幅值约为实验室直线电机模拟运动最大加速度幅值的24%和模拟水波运动最大加速度幅值的57%。这些发现为推动纳米发电机的海洋应用提供有价值的参考。该成果以"High-sensitivity blue-energy-shuttle and in-situ electrical behaviors in ocean"为题发表在《Nano Energy》上。

MSHG器件设计和工作原理图

a-c) MSHG结构设计，d) TENG单元、e) PENG 单元和 f) EMG 单元的工作原理，g) MSHG网络示意图。

论文作者：翟丽霞（硕士研究生）、文宏桂、刘恒、郭东鑫、刘官林、瞿杭、万玲玉（通讯作者）、姚辉璐（通讯作者）、翟俊宜（通讯作者）

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109546