用于下一代海洋监测系统中海浪能量收集的回收材料

《Sensors and Actuators A: Physical》：Recycled materials for ocean-wave energy harvesting in next-generation maritime monitoring systems

　　

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  我们开发了一种基于回收材料的新型海洋监测系统。
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  静电纳米发电机可通过简单的转换机制为该系统供电。
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  这种静电纳米发电机可作为便携式可再生能源使用。
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  该静电纳米发电机采用紧凑的圆柱形设计，结构轻便。
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  我们的监测系统可用于检测非法海上活动。

引言

近年来，得益于海洋物联网的发展，用于监测海上活动的传感器数量不断增加。这些传感器可被整合到各类智能系统中，用于保障国家安全、防御领土、打击走私、非法捕捞以及人口贩卖等行为[1]、[2]。此外，这类系统还能用于监测海浪方向与速度、温度变化以及风速等海洋参数，同时也可用于灾难预警系统[3]、[4]。为了在恶劣环境下依然保持稳定可靠的运行，这些传感器需要具备较长的使用寿命以及低成本的维护方式。然而，传统能源的寿命较短，还需定期维护，因此有必要寻找新的清洁能源来为新一代用于监测海上活动的海洋物联网传感器提供动力。除锂电池外，摩擦电纳米发电机及其他能量收集机制也被视为逐步替代锂电池的技术选择[5]、[6]、[7]。这类静电纳米发电机具有设计简单、重量轻、适用的摩擦电材料种类多、操作便捷以及制造成本低等优点。不过，腐蚀现象以及极端的海洋环境会降低静电纳米发电机的性能和耐用性，从而限制其在海上活动监测中的应用。为解决这些问题，有必要进一步研究摩擦电装置，以提高其在恶劣海洋环境中的耐用性、稳定性及性能。

为利用海浪能量，一些研究人员提出了将静电纳米发电机与其他转换机制相结合的设计方案，比如电磁发电机、压电纳米发电机或涡轮机。例如，Gai等人[8]设计了一种自适应双涡轮海浪能量转换器，该转换器与滑动模式静电纳米发电机相配合。这种双涡轮结构可将海浪运动转化为单向旋转动力，进而驱动静电纳米发电机，产生400伏特的电压。这类组合系统有望应用于无需外部供电的海洋浮标上；不过，带有长轴和叶片的双涡轮结构可能会对海洋生物造成伤害。Zhao等人[9]则设计了一种由两个静电纳米发电机单元和两个电磁发电机单元构成的海浪能量收集装置，该装置还配备了经过优化的摆动机构。每个静电纳米发电机单元都由氟化乙烯丙烯层和去离子水构成的液固圆盘状模块阵列组成。该收集装置在用于海洋物联网传感器节点时，能够达到1.09毫瓦的峰值功率。然而，静电纳米发电机单元与电磁发电机单元之间复杂的结构及集成方式，可能会影响其制造工艺及性能表现。Xi等人[10]则设计了一种基于滚动转换机制的静电纳米发电机阵列，用于收集海洋能量并实现海上环境的无线监测。这种摩擦电装置由多个PTFE和尼龙球组成，这些球在铜电极阵列中移动。由四个此类单元构成的静电纳米发电机阵列，在5兆欧的负载电阻和0.1赫兹的频率下，能够达到114.3毫瓦的峰值功率。Dai等人[11]则设计了一种具有振荡式浮子结构的静电纳米发电机，该发电机由定子与转子圆柱体、螺旋管、行星齿轮、四根不锈钢轴以及PTFE和尼龙层再加上兔毛共同构成。这种摩擦电装置能够捕获混乱的海浪能量，为海洋物联网传感器供电，其实际功率密度为111.56毫瓦，体积功率密度则为21.58瓦/立方米。不过，由于存在滑动摩擦，这种静电纳米发电机的摩擦电层容易磨损。

在此，我们介绍一种基于回收材料设计的、用于新一代海浪能量收集装置的新型静电纳米发电机。这种纳米发电机采用由回收瓶子和塑料制成的紧凑型便携式圆柱形结构。这类回收材料简化了静电纳米发电机的设计与制造流程，有助于实现废弃材料的再利用。所设计的静电纳米发电机采用了简单的结构来收集海浪能量，且采用了独立的转换机制，因此能够将海浪的动能转化为电能。此外，我们还为这种摩擦电装置建立了有限元分析模型，用于预测其两层摩擦电材料与电极之间的输出电压变化及分布情况。该静电纳米发电机的输出电压足以驱动用于海上及沿海安全防护系统的商用LED灯。同时，由于其结构简单，便于在海洋环境中进行制造与应用。该摩擦电装置在160兆欧的负载电阻和2.18赫兹的频率下，能够达到126.4伏特的峰峰开路电压，最大输出功率为26微瓦。因此，通过利用回收材料和废弃物来制造便携式静电纳米发电机，有望为海洋监测系统带来新一代的海浪能量收集装置。

章节摘要

设计与制造

本节介绍了用于收集海浪能量的摩擦电装置所采用的回收材料与废弃物，以及该装置的设计和制造过程，其中还涉及了该摩擦电装置的运作原理。

结果与讨论

在本节中，我们将展示该静电纳米发电机的摩擦电层、硅胶橡胶以及PET材料的傅里叶变换红外光谱分析结果与扫描电子显微镜图像。此外，还会探讨该静电纳米发电机在10种不同转速下的输出电压情况，同时报告其在三种不同转速下的电压稳定性测试结果。另外，也会分析该静电纳米发电机在四种不同转速下的输出功率情况，最后

结论

我们成功研发出一种基于回收材料、用于收集海浪能量的新型便携式静电纳米发电机。该摩擦电装置是由两个废弃瓶子、一个易拉罐、一根回收的纸板管、一层硅胶橡胶以及两组LED阵列共同制成的。该静电纳米发电机的紧凑圆柱形设计具有诸多优势，包括操作原理简单、制造流程便捷、结构轻便以及电压稳定。因此，这种静电纳米发电机完全可以被用作

作者贡献说明

Roberto López：研究工作开展、概念构思。Orlando Soriano-Vargas：验证工作、研究工作。Morales-González Enrique Atanacio：监督工作、资源协调。Mariano Azzur Hernández-Contreras：监督工作、资源协调。Gerardo Mora-Aquino：文本撰写与修改、可视化处理。José Hernández-Hernández：资源协调、研究工作。Enrique Delgado-Alvarado：验证工作、监督工作。Rodrigo Gil-Ramírez：初稿撰写、方法设计、研究工作。Elvira-Hernández Ernesto Alberto：

利益冲突声明

所有作者均声明，自己不存在任何可能影响本文研究工作的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了韦拉克鲁斯大学的支持。

Rodrigo Gil-Ramírez出生于墨西哥米却肯州的莫雷利亚市。他拥有蒙特雷科技学院工业设计专业学士学位（2014年），以及韦拉克鲁斯大学海军工程专业学士学位（2023年）。他曾担任设计工程师、产品设计师，也曾是一名初级游艇设计师，目前从事海洋测量工作。他的多元背景为海洋领域带来了跨学科的视角，致力于为海洋领域开发创新产品。

Rodrigo Gil-Ramírez|Ernesto A. Elvira-Hernández|José Hernández-Hernández|Enrique Delgado-Alvarado|Gerardo Mora-Aquino|Enrique A. Morales-González|Mariano Azzur Hernández-Contreras|Roberto López|Orlando Soriano-Vargas|Agustín L Herrera-May