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上海交大研究团队在《应用物理评论》发文阐述开发利用海洋波浪能新技术原理

日前,上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院李晔教授应邀在《应用物理评论》(Applied Physics Reviews,APR)发表论文“Harvest of ocean energy by triboelectric generator technology”(Appl. Phys. Rev. 2018, 5, 031303, IF = 15.421),首次系统阐明了开发利用海洋波浪能的新技术摩擦纳米发电机(TENG)与传统的电磁发电机(EMG)的技术差异以及TENG在收集海洋波浪能方面的最新进展。

海洋波浪能作为重要的海洋能源,具有储量丰富、受环境因素影响较小等特点,是最有前途的可再生能源之一。然而,近几十年,世界各国对波浪能收集的探索大都基于传统的电磁发电机(EMG),该技术不仅安装、运行成本高昂,而且难以有效收集海洋能中随机的、低频率、面积分布宽广的波浪能,因此波浪能尚未商业化。近年,材料科学研究者提出了摩擦电纳米发电机(TENG)的概念, 具有质量轻、价格低廉、较高的固有电压输出特性和低频率下仍具有高输出特性,在从低频水波运动中获取能量方面比EMG具有明显的优势。在海洋可再生蓝色能源的、意义深远的重要解决方案,但其材料特性和水波的力学特性的结合仍是一个未被很好解决的物理问题。

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摩擦纳米发电机(TENG)与电磁发电机(EMG)的工作原理及其输出功率对频率的依赖性比较

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封闭球形摩擦纳米发电机(RF-TENG)3D网络结构、TENG复合结构和集成TENG、风能、太阳能的复合平台在海洋蓝色能源收集中应用展望

本论文从流体力学角度回顾了水波传播的重要物理现象,分析了现有海洋能装备设计方案的优缺点,特别是从力学的机械能到电能的转换机制中的问题,综合比较了传统EMG和新型TENG在物理结构、工作原理和工程设计方面的差别,论述了利用TENG技术收集海洋波浪能的应用背景以及最近进展,指出了水波和结构物的非线性响应过程中,TENG的能量转换过程不会受到装机量强烈变化的影响,研究了TENG在水中应用的设计方法、几何尺寸和重要参数,特别是和太阳能、海上风电等其他可再生能源装备耦合中的力学问题,最后指出了TENG被设计在商业化装备中若干热点问题和发展的可能性。

本工作中,李晔团队负责本文的流体力学部分和能源转换的物理机理研究,除李晔团队外,上海交通大学环境学院赵一新教授团队负责了材料化学领域的研究,他们共同协作对具有广阔前景的海洋能和新材料进行了充分的信息整合。

《应用物理评论》(Applied Physics Reviews,APR)是国际物理界两个评述期刊Reviews of Modern Physics和Applied Physics Reviews之一,专门刊登应用物理研究领域重要的实验和理论述评文章的期刊,每年出版四期,由主编邀请在某一领域中专家撰写。

论文链接https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5008606

李锐 陈亚琪
船舶海洋与建筑工程学院