導(dǎo)語(yǔ)

隨著清潔能源需求不斷增加，海洋波浪能作為一種可再生能源受到廣泛關(guān)注。中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士、曹南穎副研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG），結(jié)合導(dǎo)電3D打印與浮力-重力優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高效波浪能收集。NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中實(shí)時(shí)記錄浮子模型六自由度運(yùn)動(dòng)，為浮子俯仰角及搖擺性能提供高精度驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

一、摩擦納米發(fā)電機(jī)波浪能研究背景與實(shí)驗(yàn)需求

隨著清潔能源需求的持續(xù)增長(zhǎng)，海洋波浪能作為一種可再生能源受到廣泛關(guān)注。然而，傳統(tǒng)波浪能收集技術(shù)在低頻波浪條件下效率有限。摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric Nanogenerator, TENG）因其在低頻能量收集方面的潛力，逐漸成為研究熱點(diǎn)。

中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士、曹南穎副研究員團(tuán)隊(duì)，圍繞低頻波浪能高效收集問(wèn)題，提出了一種基于浮力–重力優(yōu)化的摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。該研究成果發(fā)表于中科院一區(qū)期刊 Materials Science and Engineering: R: Reports（影響因子 31.6）。

在該研究中，裝置浮子的真實(shí)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)精確測(cè)量成為驗(yàn)證理論模型和結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。

二、本文研究方法與裝置設(shè)計(jì)

本文貢獻(xiàn)

1.設(shè)計(jì)了一種圓柱形顆?；Σ良{米發(fā)電機(jī)（CP-TENG）。CP-TENG采用多材料和導(dǎo)電3D打印技術(shù)，能夠高效地從波浪、潮汐和其他水體運(yùn)動(dòng)中收集波浪能。

2.通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了裝置浮子部分的水動(dòng)力學(xué)模型。本研究基于重心與浮力的平衡機(jī)制設(shè)計(jì)四種不同的浮子模型，并確定了最優(yōu)的浮子形狀。

3.通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了CP-TENG強(qiáng)大的適應(yīng)性、卓越的耐用性、波浪能收集能力以及其在持續(xù)無(wú)線海洋狀況監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用潛力。

裝置介紹

CP-TENG：采用多材料和導(dǎo)電3D打印技術(shù)制造，使用導(dǎo)電聚乳酸（PLA）添加碳纖維（CF）或碳黑來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性。CP-TENG具有多通道結(jié)構(gòu)，每個(gè)通道內(nèi)放置一個(gè)經(jīng)由材料性能測(cè)試選出的聚四氟乙烯（PTFE）圓柱，以提高電能輸出。整個(gè)CP-TENG被封裝在一個(gè)全封閉的結(jié)構(gòu)中，以保護(hù)其免受外部干擾。性能測(cè)試中，CP-TENG在防水性、環(huán)境穩(wěn)定性方面表現(xiàn)優(yōu)秀。波浪能收集應(yīng)用測(cè)試中，CP-TENG作為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的電源，成功實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)，并展現(xiàn)出卓越的耐用性。

CP-TENG裝置結(jié)構(gòu)示意圖

浮子（float）優(yōu)化：浮子的外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為內(nèi)凹形狀，這種設(shè)計(jì)有助于在波浪中保持穩(wěn)定，并使得其在波浪中能夠產(chǎn)生更大的搖擺角度，從而提高能量收集效率。研究設(shè)計(jì)了四種不同的浮子模型，并分析了它們?cè)诓煌ɡ藯l件下的運(yùn)動(dòng)性能，并經(jīng)NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)和波浪水槽實(shí)驗(yàn)確定了Model 1作為最優(yōu)的浮子設(shè)計(jì)。

四種浮子模型（左）和Model 1的光學(xué)照片（右）

三、基于光學(xué)動(dòng)作捕捉的浮子結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

研究團(tuán)隊(duì)圍繞浮力–重力平衡機(jī)制，設(shè)計(jì)了四種不同外形結(jié)構(gòu)的浮子模型，并通過(guò)數(shù)值模擬與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行驗(yàn)證。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件AQWA的模擬靜水分析模塊（上）和NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)下的三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（下）

在實(shí)驗(yàn)階段，NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)被用于波浪水槽環(huán)境下的浮子運(yùn)動(dòng)追蹤。實(shí)驗(yàn)在一個(gè) 1.2 m × 1.0 m × 1.0 m、水深 0.6 m 的室內(nèi)水池中進(jìn)行，配備額定功率 50 W 的波浪發(fā)生器。

現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景（a）和NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)軟件界面（b）

通過(guò)NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，研究人員獲取了不同浮子模型在多種波浪頻率條件下的俯仰運(yùn)動(dòng)曲線，實(shí)現(xiàn)了模擬數(shù)據(jù)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果：動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型 1 的最優(yōu)性

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在不同波浪頻率下：

模型 1 的俯仰角穩(wěn)定在 40°–60°

最大俯仰角分別達(dá)到 47.7° 和 64°

明顯優(yōu)于基礎(chǔ)模型及其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

這些結(jié)果與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件 AQWA 的模擬結(jié)果高度一致。

NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)提供的高精度姿態(tài)數(shù)據(jù)，直接驗(yàn)證了浮子結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的有效性，使模型 1 被確定為最終實(shí)驗(yàn)采用的最優(yōu)浮子設(shè)計(jì)。

五、NOKOV度量動(dòng)作捕捉在浮子六自由度姿態(tài)估計(jì)中的應(yīng)用

在浮子結(jié)構(gòu)優(yōu)化與波浪能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)引入 NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，對(duì)浮子模型在波浪環(huán)境下的六自由度運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。

NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)通過(guò)多攝像頭協(xié)同，獲取浮子在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)，尤其重點(diǎn)關(guān)注：

浮子俯仰角變化

波浪頻率變化下的姿態(tài)穩(wěn)定性

不同浮子模型之間的運(yùn)動(dòng)差異

這些高精度姿態(tài)數(shù)據(jù)，為摩擦納米發(fā)電機(jī)浮子結(jié)構(gòu)的定量評(píng)估提供了可靠實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

六、摩擦納米發(fā)電機(jī)波浪能研究FAQ

Q：動(dòng)作捕捉在波浪能實(shí)驗(yàn)中有什么作用？

A：光學(xué)動(dòng)作捕捉可精確獲取波浪能裝置浮子的姿態(tài)與運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化和理論模型驗(yàn)證提供真實(shí)實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

Q：NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)在該波浪能收集實(shí)驗(yàn)中具體解決了什么問(wèn)題？

A：該研究中NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄浮子六自由度運(yùn)動(dòng)，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)俯仰角變化，用于驗(yàn)證不同浮子模型的運(yùn)動(dòng)性能。

Q：浮子姿態(tài)優(yōu)化研究中為什么需要高精度姿態(tài)測(cè)量？

A：浮子姿態(tài)直接影響摩擦納米發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率，高精度測(cè)量是確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

Q：為什么這種高精度運(yùn)動(dòng)分析對(duì)未來(lái)新能源研究重要？

A：隨著能源裝置走向智能化與精細(xì)化，其機(jī)械運(yùn)動(dòng)與能量輸出的關(guān)系愈發(fā)緊密。高精度運(yùn)動(dòng)分析已成為優(yōu)化設(shè)計(jì)、提升效率的標(biāo)準(zhǔn)配置工具。

七、參考文獻(xiàn)信息與作者簡(jiǎn)介

該研究由中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士團(tuán)隊(duì)完成，并發(fā)表于材料科學(xué)領(lǐng)域中科院一區(qū)頂級(jí)期刊。

參考文獻(xiàn)：

Erming Su, Shuxing Xu, Zhenyu Wang, Zijie Xu, Siyan Pan, Zhong Lin Wang, Leo N.Y. Cao, Buoyancy-gravity optimized triboelectric nanogenerators via conductive 3D printing for robust wave energy harvesting, Materials Science and Engineering: R: Reports, Volume 164, 2025, 100953, ISSN 0927-796X, https://doi.org/10.1016/j.mser.2025.100953.

作者簡(jiǎn)介：

蘇二明，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所博士研究生在讀。主要研究方向?yàn)椋耗Σ良{米發(fā)電機(jī)、藍(lán)色能源、高精度3D打印

徐淑星，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與納米系統(tǒng)研究所博士研究生在讀 。主要研究方向?yàn)椋耗Σ良{米發(fā)電機(jī)、藍(lán)色能源、自驅(qū)動(dòng)傳感

王震宇，中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所副研究員。主要研究方向：摩擦納米發(fā)電機(jī)、自驅(qū)動(dòng)傳感、智慧物流。環(huán)境納米催化、第一性原理計(jì)算

許子頡，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所副研究員。主要研究方向：摩擦納米發(fā)電機(jī)、智能流體動(dòng)力學(xué)傳感系統(tǒng)

潘思妍，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所博士研究生在讀。主要研究方向：基于流體動(dòng)力學(xué)的摩擦電納米發(fā)電機(jī)在環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用

曹南穎（通訊作者），中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所副研究員。主要研究方向：摩擦納米發(fā)電機(jī)、藍(lán)色能源、3D打印技術(shù)

王中林（通訊作者），中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所、美國(guó)佐治亞理工學(xué)院，教授、院士