基于全方位液滴振动采集的漂浮式发电机
漂浮式全向液滴振动发电器：突破性研究
学术背景
随着物联网（IoT）设备在海洋环境监测中的广泛应用，如何在不依赖电网的情况下为这些设备提供稳定电力成为了一个亟待解决的问题。传统的风力、太阳能等可再生能源在海洋环境中存在局限性，而摩擦电纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）因其高效的机械能转换能力被认为是一种有潜力的解决方案。然而，现有的TENG设备大多依赖于固体-固体界面摩擦，存在磨损问题，限制了其长期使用。此外，许多液滴基TENG只能单向收集能量，无法适应海洋环境中不可预测的多向波动。
为了解决这些问题，研究团队提出了一种基于液滴的全向振动发电器（Floating Droplet-based Electricity Generator, FDEG），旨在利用海洋波浪能进行高效、可持续的能量收集。该设备通过液滴与电极之间的不对称电容设计，显著提高了电能输出，并实现了多向能量采集。
论文来源
本研究由来自The University of Hong Kong的Jiaming Zhou、Xiaoting Ma、Zihao Deng、Jingyi Gao、Eunjong Kim、Hongjian Zhou和Dong-Myeong Shin共同完成，于2025年4月18日发表在期刊Device上，题为《Floating Electricity Generator for Omnidirectional Droplet Vibration Harvesting》。本论文为开放获取（Open Access），可通过DOI链接访问。
研究流程
1. 设备设计与制造
FDEG的核心结构由两个主要部分组成：内部电力生成层和外部支撑层。内部层包含一层薄氟化乙烯丙烯（FEP）薄膜，其上布置有环形和圆形铜电极。外部层为一个半球形的亚克力碗，用于保持设备漂浮并通过水波驱动内部层运动。液滴（去离子水）嵌入在FEP层的顶部，滚动时触发电极之间的电荷流动。
关键设计：
- 不对称电极设计：环形电极位于FEP层顶部，直接接触液滴；圆形电极位于FEP层底部，避免直接接触液滴。
- 闭路电路：液滴在滚动过程中瞬间连接环形和圆形电极，形成闭路，从而提高电流输出。
2. 工作机制研究
FDEG的工作机制基于液滴与电极之间的摩擦电效应。当液滴接触FEP层或环形电极时，FEP层表面或环形电极会从液滴中接受负电荷。整个过程分为四个阶段： 1. 阶段一：液滴接触环形电极，闭路通电，随后分离。 2. 阶段二：液滴滑动至FEP层中心，接触面积减少，电路再次断开。 3. 阶段三和阶段四：重复上述过程，通过外部负载实现电荷转移。
3. 参数优化
为了优化FDEG的输出性能，研究团队对液滴体积、电极间距等参数进行了调整。实验表明，当液滴体积与电极间距匹配时，电流输出达到最大值。此外，通过计算流体动力学（CFD）模拟，研究了设备在不同波幅和频率下的响应，验证了其在真实海洋环境中的适用性。
4. 盐度影响研究
为了扩大应用范围，研究团队还测试了不同盐度和盐类型对FDEG输出的影响。结果表明，低浓度盐溶液能够显著提高电流峰值，而高浓度盐溶液则会导致输出下降。这一发现为FDEG在不同水体环境中的应用提供了理论支持。
主要结果
- 高电流输出：FDEG在液滴体积为2.4 mL时，瞬时电流输出达到22.80 ± 1.68 mA，是单电极配置的20倍。
- 高功率密度：当使用0.5 mM Na₂SO₄溶液时，FDEG的功率密度达到1,190.6 W/m³，创造了液滴基TENG的新纪录。
- 全向性能：设备能够在多向波动环境下稳定工作，适用于不可预测的海洋环境。
- 盐度优化：低浓度盐溶液（1 mM NaCl和0.5 mM Na₂SO₄）能够显著提高电流峰值。
结论与价值
本研究首次提出了一种基于液滴的全向振动发电器，通过不对称电极设计和闭路电路的瞬时切换，显著提高了电能输出。该设备不仅具有高功率密度和电荷密度，还