清華新聞網(wǎng)8月12日電 針對(duì)我國(guó)未來(lái)億千瓦級(jí)遠(yuǎn)海風(fēng)電基地建設(shè)與穩(wěn)定運(yùn)行的需求，研究并開(kāi)發(fā)適用于海上風(fēng)電設(shè)施的無(wú)源化在線(xiàn)監(jiān)測(cè)傳感器自驅(qū)動(dòng)技術(shù)，有望提升智慧海上風(fēng)電場(chǎng)的智能化、自動(dòng)化和信息化水平。在海洋環(huán)境中，通過(guò)收集多種混合能量，可以充分利用各能源之間的互補(bǔ)性，從而提高能源收集的總體量和穩(wěn)定性，減少單一能源的波動(dòng)性，并提升能源利用效率。風(fēng)能和雨能在風(fēng)電設(shè)施運(yùn)行環(huán)境中相對(duì)豐富，但現(xiàn)有的能量利用率尚未得到充分發(fā)揮。利用風(fēng)能和雨能的混合收集技術(shù)可以顯著改善這一現(xiàn)狀。
然而，傳統(tǒng)的能源收集方式在面對(duì)海上環(huán)境的高濕度、強(qiáng)腐蝕和復(fù)雜氣候條件時(shí)，表現(xiàn)出了諸多局限性。這些環(huán)境因素對(duì)傳統(tǒng)能源收集系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性構(gòu)成了挑戰(zhàn)。因此，開(kāi)發(fā)一種高效、穩(wěn)定且適合海洋環(huán)境的能量收集系統(tǒng)，成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。這種系統(tǒng)不僅需要具備適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力，還需確保長(zhǎng)期穩(wěn)定的能量輸出，以支持海上風(fēng)電設(shè)施的高效運(yùn)行。
圖1.風(fēng)雨混合發(fā)電機(jī)（WDHG）及風(fēng)雨驅(qū)動(dòng)自供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架
（a）風(fēng)雨驅(qū)動(dòng)自供電系統(tǒng)的示意圖，包括作為發(fā)電機(jī)的WDHG和用于存儲(chǔ)和管理能量的電源管理電路；（b）WDHG的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)示意圖，包含風(fēng)力TENG和雨滴TENG；（c）WDHG平臺(tái)的實(shí)物照片；（d）經(jīng)過(guò)RIE處理的FEP薄膜展示了超疏水性能，通過(guò)SEM圖像顯示RIE處理的FEP薄膜的接觸角；（e）風(fēng)雨驅(qū)動(dòng)自供電系統(tǒng)的能量流動(dòng)示意圖
為此，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院丁文伯副教授團(tuán)隊(duì)研制了一種具備風(fēng)能和雨滴能收集能力的摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric Nanogenerator, TENG）自供能系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在利用海上豐富的風(fēng)能和降雨資源，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供可持續(xù)的能源解決方案。團(tuán)隊(duì)提出的風(fēng)雨混合發(fā)電機(jī)（WDHG）在風(fēng)能TENG在風(fēng)速到6.84m/s時(shí)，輸出功率達(dá)2.10MW；雨滴電極TENG在降雨強(qiáng)度為70mm/min時(shí)，輸出功率為35.90MW/m2。研究通過(guò)優(yōu)化螺旋結(jié)構(gòu)，旨在提升風(fēng)能收集效率。
在電氣優(yōu)化方面，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)盤(pán)式轉(zhuǎn)子通過(guò)調(diào)整極對(duì)數(shù)，提升能量轉(zhuǎn)換效率。此外，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)雨滴TENG表面的FEP膜的厚度進(jìn)行了優(yōu)化并找到選擇最佳電輸出性能的厚度。再針對(duì)交叉電極之間的間隙長(zhǎng)度問(wèn)題，通過(guò)調(diào)整電極間隙長(zhǎng)度，提升電荷傳輸效率。針對(duì)海上雨滴腐蝕性問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)以反應(yīng)離子刻蝕工藝使其超疏水，旨在增強(qiáng)雨水收集效率和表面保護(hù)。
圖2.風(fēng)雨能量收集電源管理電路
（a）電源管理電路（PMC）示意圖；（b）PMC原型照片；（c）在不同風(fēng)速下PMC啟動(dòng)過(guò)程的輸出電壓波形；（d）在70 mm/min降雨量下不同電容的電壓充電曲線(xiàn)；（e）在不同降雨強(qiáng)度下的啟動(dòng)時(shí)間；（f）在4.5 m/s風(fēng)速下PMC在不同負(fù)載下的輸出電壓波形；（g）在4.5 m/s風(fēng)速和50 kΩ負(fù)載下，帶和不帶智能負(fù)載開(kāi)關(guān)的PMC輸出電壓循環(huán)；（h）在70 mm/min降雨量和4.5 m/s風(fēng)速下，20 kΩ負(fù)載時(shí)PMC的輸入和輸出電壓
此外，為解決風(fēng)力和雨滴TENG輸出高阻抗脈沖電壓難以直接為標(biāo)準(zhǔn)電子設(shè)備供電的問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了具有創(chuàng)新設(shè)計(jì)的電源管理電路以支持集成的風(fēng)雨能收集系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)上包括全橋整流器、buck降壓電路和特殊設(shè)計(jì)的智能負(fù)載開(kāi)關(guān)。通過(guò)引入降壓拓?fù)浜椭悄茇?fù)載開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了輸入源阻抗匹配和輸出負(fù)載阻抗匹配，從而高效利用能量。LTSprice模擬和實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該電路，能夠在不同負(fù)載條件下提供穩(wěn)定的直流電壓輸出。
圖3.基于WDHG的自供電系統(tǒng)的應(yīng)用
（a）WDHG應(yīng)用測(cè)試平臺(tái)；（b）驅(qū)動(dòng)數(shù)字式溫濕度計(jì)的測(cè)試結(jié)果；（c）基于WDHG的自供電系統(tǒng)在海上環(huán)境中的工作示意圖
WDHG在4.5m/s的風(fēng)速下，該能量收集系統(tǒng)能夠持續(xù)供能低功耗數(shù)字溫濕度計(jì)，并在7.2m/s的風(fēng)速下驅(qū)動(dòng)一個(gè)20秒周期喚醒的BLE設(shè)備。該系統(tǒng)可提供可靠的可持續(xù)能源于海上環(huán)境中的各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，特別適用于離岸風(fēng)電場(chǎng)子站和遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備。未來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，WDHG有望在更廣泛的風(fēng)雨環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)高效能量收集。這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)不僅為海上環(huán)境中的風(fēng)能雨能可再生能源利用提供了技術(shù)參考，還將在未來(lái)的海上智能城市等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
近日，相關(guān)研究成果以“基于薩沃尼烏斯渦輪結(jié)構(gòu)的風(fēng)-雨混合收集自驅(qū)動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)”（A Hybrid Wind and Raindrop Energy Harvesting Operating on Savonius Turbine）為題，發(fā)表于《納米能源》（Nano Energy），并被選為雜志第127卷C期的封面文章。
深圳國(guó)際研究生院副教授丁文伯、博士后王季宇為論文的通訊作者，論文第一作者（含共同一作）分別為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2021級(jí)博士生蘇杰華、2021級(jí)碩士生林澤南、2020級(jí)碩士生金雨超，其他作者還包括2022級(jí)碩士生平思琪。
論文鏈接:
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109746
供稿：深圳國(guó)際研究生院
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
