《Nano Energy》：Arctic Deployment of a Fully Integrated Self-Powered Drifting Buoy Harvesting Wave Energy via a Triboelectric Nanogenerator
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为解决北极海洋观测能源问题，本研究开发了一种自供电漂流浮标，集成摆锤驱动的TENG系统，通过动力学仿真与实验室测试优化了1.6kg摆锤质量（占总质量17.6%），实现北极环境下平均12.7mW的稳定能量输出，并在白令海成功部署，首次验证了TENG浮标在北极的可行性。
赵成路（Zhaocheng Lu）| 李俊贤（Hyunjun Jung）| 黄元燮（Wonseop Hwang）| 杰森·马丁内斯（Jayson Martinez）| 露丝·布兰奇（Ruth Branch）| 邓志群（Deng Zhiqun Daniel）
美国华盛顿州里奇兰市太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory），能源与环境部门（Energy and Environment Directorate），邮编99354
摘要
对变化迅速但采样不足的北冰洋进行广泛且成本效益高的原位监测对于推进北极研究至关重要。自供电的漂流浮标能够利用海浪能量，为在这一偏远且恶劣的环境中进行长期观测提供了有前景的途径，但之前的设计并未针对实际海浪条件进行优化，也未在北极地区进行验证。我们报告了一种自供电的漂流浮标，该浮标将摆式摩擦电纳米发电机（TENG）与机械运动整流器、高传动比传动装置以及电源管理电路集成在一起。通过浮标-摆的动态模拟和使用运动模拟器的实验室测试，我们确定了一个最佳摆质量为1.6千克（占总浮标质量的17.6%），这种质量能够在保持浮标稳定性的同时最大化能量输出。在类似北极的海浪和温度条件下，实验室实验实现了平均12.7毫瓦的功率输出。该系统已在白令海成功部署，并在3.1米高的海浪中产生了11焦耳的能量，这是首次在北极部署用于海表面温度监测的基于TENG的漂流浮标，这只是众多潜在监测应用之一。这项工作为设计自供电的北极监测平台建立了成本效益高的框架，并提升了在北极水域进行长期环境观测的可行性。
引言
在北极海洋进行连续的原位海洋学和气象监测——提供高分辨率的海面和次表层数据——对于推进北极研究至关重要，包括理解北极环境的快速变化[1]、[2]、[3]、验证和同化数值模型[4]、[5]、[6]、管理航运[7]和渔业[8]等经济活动，以及战略性地支持地缘政治[9]、安全和国防研究[10]。然而，北极海洋的偏远性和恶劣条件使得持续的原位观测极具挑战性[11]。漂流浮标是全球最广泛使用的原位海洋学和大气测量平台之一[12]、[13]、[14]。它们位于海洋-大气界面，能够捕捉到监测所需的关键变量[15]、[16]、[17]。传统的漂流浮标主要依赖电池供电，但其有限的能量容量极大地限制了运行寿命[18]，尤其是在北极海洋这样的极端环境中[19]。此外，在这些偏远地区部署、维护和回收浮标在后勤上要求很高且成本高昂。因此，尽管科学和社会需求迫切，北极海洋的采样仍然远不如其他地区密集。这些限制促使人们开发出紧凑且成本效益高的浮标平台，以便在极端的北极条件下实现长期观测网络[20]。
鉴于北极漂流浮标的运行条件，海浪是一种理想的可再生能源。与在高纬度地区间歇性出现且在极夜期间不可用的太阳能，以及变化较大的风能不同，海浪能量在其他能源不可用时仍然可靠。这使得海浪能量特别适合用于长期北极监测。摩擦电纳米发电机（TENG）[21]、[22]作为一种从海浪中获取能量的技术备受关注，因为它们结构简单、重量轻、能够高效地将低频机械运动转换为电能，并且在低温下性能提升。然而，为了充分利用TENG在漂流平台上的作用，必须优化浮标与内部发电机运动部件之间的动态相互作用，以确保高效能量转换而不影响浮标的稳定性。Rodrigues等人[23]设计了一种安装在一个缩比导航浮标中的滚动球体TENG，其中水动力俯仰运动主导了发电机的输出，而发电机的反作用力可以忽略不计，产生了230微瓦的电力用于驱动船上传感器。基于这一概念，Gon?alves等人[24]提出了一种通过调整发电机结构以适应浮板水动力响应来优化TENG输出的框架，进一步强调了浮板运动对TENG行为的影响。这些简单的无齿轮配置使得内部滚动球体或接触-分离部件相对于浮板壳体的运动可以忽略不计，从而能够独立优化浮板的动态特性。然而，TENG的有效接触面积有限，导致可实现的功率输出低于毫瓦级别，不足以支持大多数低功耗传感器。为了提高能量输出，引入了滑动模式TENG来增加有效工作面积。Jung等人[25]开发了一种轻量级的磁感应摆式TENG，将其集成到浮板壳体中，通过磁耦合将低频海浪运动转换为高频摆动，实现了几毫瓦的增强功率输出，同时不会显著影响浮板运动。后续研究使用了更重的摆来进一步提高能量采集效率，通常采用机械整流器[26]、[27]或螺旋弹簧辅助的机械频率调节器[28]、[29]来适应低频不规则海浪。然而，过大的摆质量会改变浮板的水动力特性并降低整体系统性能，尤其是在摆质量与浮板质量比较高的情况下[30]。为了解决这个问题，Zhao等人[31]引入了一种托盘-摆设计，将发电机的运动与浮板振荡解耦，尽管他们的验证仅限于单向海浪条件。尽管在受控或简化海浪条件下进行了大量关于海浪能量采集系统的研究并进行了许多优化尝试，但这些方法无法完全捕捉到实际多方向、不规则海浪环境中的复杂水动力相互作用。关键的是，此前没有研究证明这种能量采集浮标能够在极端恶劣的环境条件下可靠运行，特别是在北极海洋。解决实际水动力优化和极端条件下的操作可行性对于推动基于TENG的自供电平台向实用、长期的环境监测发展至关重要。
在这项工作中，我们展示了一种完全集成的自供电北极监测浮标，通过一种新颖的系统级能量采集方法克服了这些限制。一个关键创新是通过动态建模优化了内部动力提取（PTO）系统。我们的模型不是将发电机视为一个独立组件，而是捕捉了浮板壳体与内部摆之间的关键动态耦合。这种方法能够优化摆的质量，以最大化驱动发电机的相对运动，从而在同时最小化对浮板自然水动力响应的不利影响的情况下最大化功率输出。然后，这种优化的惯性运动通过一个紧凑且坚固的机械装置高效转换为电能。其核心是一个定制的机械运动整流器（MMR）和齿轮系统。MMR与齿轮系统将摆的双向摆动转换为高速单向旋转，非常适合驱动我们这种空间效率高的、软接触的双面盘式TENG。浮板将这种TENG采集器与定制设计的低功耗电子元件集成在一起，用于电源管理和环境监测，包括内部湿度和温度以及海表面温度（SST）。该系统的性能通过在太平洋西北部的萨利什海（Salish Sea）进行的初步海试得到了验证。最后，一个完全集成的TENG浮标在白令海进行了部署，提供了关于TENG功率输出、传感器和卫星通信在实际运行条件下的能量需求以及关键海洋环境参数的关键数据。这项工作对波浪能量采集器和北极观测设备领域做出了重要贡献，并为海洋能量社区、海洋设备开发者和海洋学家提供了宝贵的见解。
配置和工作原理
自供电北极海洋（SPAO）浮标被设计为一个多功能平台：首先，它是一个用于全面观测北极海洋环境的监测和传感系统；其次，它是一个用于评估能量采集器的功率输出和集成电子设备的能耗的实际测试平台。该平台包含一个多传感器套件，用于测量关键环境参数，包括海表面温度（SST）和全球定位系统（GPS）位置等。
结论与讨论
在这项工作中，我们成功设计、优化并部署了一个完全集成的自供电北极海洋浮标。该系统使用了一个经过验证的海洋动力学模拟模型进行了优化，该模型将浮板运动和内部摆的运动耦合在一起。通过根据实际海浪条件调整摆的质量，我们确定了一个最佳质量为1.6千克，该质量在不会显著抑制浮板壳体运动的情况下最大化了采集器的功率输出。实验室测试展示了平均功率输出
TENG设备的制造
两个定子（直径228毫米）使用Prusa MK4 3D打印机由聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETG）制成。每个定子表面都印有60个径向排列的扇形单元，其中一半连接到电极1，另一半连接到电极2（图2a，视图A）。电极1和电极2的扇形单元交替排列，之间有1毫米的间隙，从而形成了30对相对的电极扇形单元。扇形单元的表面用铝粘合并覆盖
CRediT作者贡献声明
李俊贤（Hyunjun Jung）：撰写——原始草稿、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。
赵成路（Zhaocheng Lu）：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理。
邓志群（Deng Zhiqun）：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、方法论、概念化。
露丝·布兰奇（Ruth Branch）：撰写——审稿与编辑、验证、调查。
杰森·马丁内斯（Jayson Martinez）：撰写——原始草稿、方法论、调查。
黄元燮（Wonseop Hwang）：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
这项研究由美国能源部（DOE）水力技术办公室资助。研究由太平洋西北国家实验室（PNNL）进行，该实验室由Battelle公司为DOE运营，合同编号为DE-AC05-76RL01830。我们衷心感谢PNNL的许多工作人员，包括Rob Cavagnaro、Andrea Copping、Trevor McBride、Luke Prevo和Fabian Ledezma在设计和测试方面的协助，以及John Vavrinec、Tristen Myers Stewart和Emma Geon在支持方面的帮助
