关于用于海洋流能采集的涡流诱导振动驱动旋转摩擦电纳米发电机的实验研究

《Ocean Engineering》：Experimental study on a vortex-induced vibration driven rotary triboelectric nanogenerator for ocean current energy harvesting

海洋低流速下涡激振动驱动的旋转摩擦纳米发电机设计与实验研究。摘要：设计并实验评估了基于涡激振动（VIV）的旋转摩擦纳米发电机（RC-TENG），成功将低流速下的VIV转化为连续旋转运动，显著提高输出稳定性，适用于海洋监测。

　　

彭旭|邱思远|何莉|洪明杰|龚熙武|张源

浙江海洋大学船舶与海洋工程学院，舟山，316022，中国

摘要

为了解决传统海洋电流涡轮机在低速条件下的低能量转换效率问题，本文提出了一种基于涡激振动驱动的旋转摩擦电纳米发电机，用于海洋电流能量的收集。该装置将涡激振动能量捕获与旋转摩擦电纳米发电机相结合，实现了低频流体动力激励向电能的转换。通过系统的摩擦电材料筛选和结构优化，制作出了原型设备，并通过电机驱动测试和循环水槽实验进行了实验评估。详细分析了不同激励条件下的动态响应、电输出特性和负载依赖性能。此外，还开发了一种包含整流、滤波和电压调节的电源管理电路，以提高输出稳定性和实际应用性。实验结果表明，所提出的旋转摩擦电纳米发电机在低流速下能够实现稳定且可重复的电输出，为海洋监测和传感应用的自主能源开发提供了实验基础和技术参考。

引言

高功率海洋电流能量收集的研究传统上主要集中在基于叶片的装置和涡轮机优化策略上（Orlando等人，2021年；Rafsanjani等人，2020年）。然而，大多数传统海洋电流涡轮机的额定工作速度超过1.5米/秒（Xu等人，2015年；Bahaj等人，2007年），并且在低于1米/秒的低流速条件下，其能量转换效率会急剧下降（Lago等人，2010年；Esteban和Leary，2012年）。尽管引入了分流板等辅助流控装置来改善低速性能（Song等人，2017年），但这些解决方案往往增加了结构复杂性、安装难度和维护成本。近年来，涡激振动（VIV）作为一种替代的海洋能量收集机制受到了越来越多的关注，因为它具有适应低速流环境的有利特性以及良好的流固相互作用特性（Zhang等人，2025年；Bai和Chen，2020年；Luo等人，2024年）。

涡激振动现象已经通过分析建模、数值模拟和实验研究得到了广泛探讨。早期的理论模型，如升力振荡器和尾流振荡器公式，为理解结构运动与涡脱落动力学之间的耦合奠定了基础（Hartlen和Currie，1970年；Facchinetti等人，2004年）。后续研究进一步改进了这些模型，以考虑非线性效应、阻尼特性和广泛的质量-阻尼比（Farshidianfar和Zanganeh，2010年；Kim等人，2021年）。Zhao等人（2020年）证明沟槽几何形状显著影响VIV响应，表明30°的沟槽角度会引发颤振现象，而60°的沟槽角度则显著提高了能量转换效率。Zhang等人（2022年）提出了一种非线性阻尼策略，可在高速度范围内动态改善能量收集性能。Han等人（2023年）的分析研究表明，最大收集效率与质量-阻尼参数之间存在明确的关系，为效率预测提供了统一框架。Sun等人（2016年）的实验研究进一步揭示，适当的质量比、刚度和阻尼组合可以扩大锁相区域并提高功率输出。总体而言，这些研究证实了基于VIV的系统在低速海洋环境中提供了高效的能量收集物理基础。

与此同时，摩擦电纳米发电机（TENGs）作为一种有前景的技术，因其低成本、结构简单以及在小幅激励下的高效率而受到关注（Zhang等人，2019年）。Shi（2019年）通过水槽实验证明了独立层多栅格TENGs用于海洋能量收集的可行性。基于这一概念，多项研究将TENGs与基于VIV的能量捕获机制相结合。Li等人（2023a、2023b、2023c、2023d）开发了一种基于VIV驱动的TENG，采用圆柱-悬臂耦合结构，在0.5米/秒的流速下实现了174伏的开路电压和2.5毫瓦的峰值功率输出。进一步的进展包括固体-液体界面VIV-TENG，它在类似的流速条件下展示了更高的电荷传输效率和输出稳定性（Li等人，2023b）。最近，Li等人（2024年）提出了一种由浮力诱导振动驱动的多栅格TENG，在0.2米/秒的超低流速下实现了4100微瓦的峰值功率。尽管取得了这些进展，但大多数现有的VIV-TENG系统依赖于平面结构配置的往复运动，这通常导致电输出波动，限制了它们在连续海洋能量收集中的实际应用。

近年来，在利用水流和流体诱导振动收集低频能量的摩擦电纳米发电机开发方面取得了显著进展。已经报道了多种由水流驱动和电流驱动的TENGs，用于蓝色能源收集和自主海洋传感应用。特别是基于VIV的TENGs在从低速电流中提取能量方面表现出了良好的能力，而固体-液体界面设计进一步提高了电荷传输效率和环境适应性。然而，如表1所示，大多数报道的基于流诱导振动的TENGs都依赖于往复运动，这不可避免地导致电输出波动，限制了它们与实际电源管理电路的兼容性。与代表性的近期文献（表1）相比，这种局限性显而易见。因此，将VIV转换为连续的旋转运动以实现摩擦电能量收集仍然是一个重要挑战，也是本研究的动机。与主要依靠流体激励的往复装置不同，所提出的RC-TENG成功实现了这种转换，从而提高了输出稳定性，并更适合在低速水流下的长期自主海洋传感和监测。

最近的进展显著扩展了TENGs在智能传感和海洋能量收集中的应用范围。例如，新颖的结构设计和材料工程已被用于开发用于机器人技术的静态和动态压力监测的自主传感器（Xia等人，2025a；Xia等人，2025b），以及灵活的触觉和湿度传感系统（Xia和Xu，2021年；Xia等人，2019年）。在蓝色能源领域，提出了诸如法拉第笼启发式结构（Xia等人，2025c）和无金属固体-液体接触模式（Xia和Yu，2025年）等创新方法，以提高对恶劣海洋条件的鲁棒性和适应性。然而，与这些直接驱动或专注于传感的方法不同，从稳定的低速海洋电流中高效收集动能仍然是一个挑战，需要专门的流固相互作用机制。与之前依赖于直接波浪冲击或固体-液体接触的设计不同，本研究引入了一种机械耦合系统，利用VIV和齿轮传动机构。这种独特配置实现了频率的提升，有效地将低频流体振荡转换为高速旋转，从而在淹没电流条件下最大化电输出。

随着低功耗传感器在海洋环境中的日益部署，可靠且无需维护的电源解决方案变得至关重要。传统的基于电池的系统服务寿命有限且需要频繁更换，而有线电源传输则涉及高安装复杂性和维护成本。VIV驱动的TENGs提供了一种有前景的替代方案，能够在低速流条件下实现原位、自主运行。然而，在实现稳定电输出、高能量转换效率和实际应用性方面仍存在挑战。尽管近年来出现了许多关于旋转TENG的研究，但大多数研究主要集中在风能收集上（Fu和Ruan，2025年；Li等人，2025年）。相比之下，与VIV耦合的多栅格TENGs具有结构简单性，因为独立的摩擦电层可以直接由振荡器驱动。然而，较大的振荡幅度往往会导致部分独立摩擦电层滑出介电隔离层，从而不可避免地降低发电性能。为了解决这些问题，本研究提出了一种VIV激励的旋转摩擦电纳米发电机（RC-TENG），将基于VIV的能量捕获与旋转独立层TENG架构相结合。该设计有效地将VIV的往复运动转换为TENG的连续旋转运动，从结构上克服了多栅格TENG的位移限制，从而显著优化了整体输出性能。此外，还进行了电机驱动实验和循环水槽实验，系统地研究了不同激励条件下的动态响应、电输出特性和信号稳定性。结果表明，所提出的RC-TENG在低流速下的VIV锁相区域内实现了稳定且可重复的电输出，凸显了其在自主海洋传感和监测应用中的潜力。

章节摘录

VIV和RC-TENG的理论建模

本节介绍了用于描述圆柱形振荡器的VIV响应和RC-TENG电输出特性的理论框架。VIV模型用于表征海洋电流条件下的流体动力激励和结构振动行为，而摩擦电模型建立了旋转运动与电能生成之间的关系。这些模型共同为分析提供了理论基础

电机驱动实验装置和性能分析

为了系统研究所提出的RC-TENG的内在电输出特性，并将机械激励与流体动力不确定性分离，首先进行了电机驱动实验。与涡激激励相比，电机驱动的旋转提供了稳定、可控且可重复的输入条件，使得能够精确评估旋转速度、栅格配置和外部负载电阻对电性能的影响

水槽实验和流体动力性能评估

为了评估所提出的RC-TENG在真实流条件下的流体动力性能和实际能量收集能力，在循环水槽中进行了一系列实验。与电机驱动实验相比，水槽实验能够直接评估受控水流模拟下的耦合VIV响应和电输出行为。在本节中，首先介绍了实验装置、测量系统和操作条件

结论

本研究调查了TENG在VIV条件下的能量收集性能。基于摩擦电材料对的筛选和结构参数的优化，制作出了一个RC-TENG原型。随后，设计了电机驱动实验和水槽实验，以系统分析该设备在VIV激励下的电压输出特性和电信号稳定性。

实验结果表明，摩擦电材料的选择起着

CRediT作者贡献声明

彭旭：撰写——原始草稿，可视化，监督，软件，研究，资金获取，形式分析，概念化。邱思远：撰写——原始草稿，软件，资源，方法论，研究，形式分析，数据管理，概念化。何莉：撰写——审稿与编辑，验证，监督，软件，项目管理，方法论，概念化。洪明杰：验证，软件，资源，方法论，数据管理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（NSFC: 52301342和NSFC: 52271293）以及舟山潮汐能观测与研究站（自然资源部，项目编号ZSTE-2025DB03）的支持。