Page 126 - 《摩擦学学报》2020年第5期

第 5 期 赵波, 等: 球形摩擦纳米波浪能发电机的多物理场耦合建模方法研究 681

海洋波浪能作为一种新型、清洁、无污染的可再 真模拟，以研究其在特定波况条件下的动态发电性能.
生能源，因其具有储量大、能量密度高、分布广泛和能 本文作者采用COMSOL Multiphysics有限元仿真
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量易于转化等优点，已成为现在国际研究的重点 . 然 软件，通过考虑内部结构各子系统之间的耦合作用及
而，波浪的低频率、高随机性等特点对波浪能利用技 外部动态激励的耦合作用，提出了一种球形摩擦纳米
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术的发展提出了挑战 . 2012年，王中林团队发明了摩 发电机发电性能仿真分析方法，这为进一步研究其发
擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator，TENG)，为 电性能对各因素的依赖关系、真实海况下的结构优化
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高效获取波浪能给出了新的解决方案 . 相比于传统的 并使其最终走向实用化提供了一种有效手段.
基于电磁发电机的波浪能发电装置，近年来发展起来
1 球形摩擦纳米发电机多物理场耦合建模
的TENG在对低频和随机能量捕获方面表现出了巨大
优势，逐渐成为国内外的研究热点 [4-8] . 其中，球形摩擦纳 1.1 球形摩擦纳米发电机工作原理及耦合关系

米发电机(Rolling-spherical triboelectric nanogenerator， 图1(a)所示为R-TENG的结构模型，包含球壳、摩
R-TENG)由于其密封性好、密度小、易于阵列化发电 擦起电小球及附着于球壳内侧的4块金属电极. 图1(b)
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和更好的应对低频随机能源的特点，更加受到重视 . 为球形摩擦纳米发电机的工作情况. 在波浪激励和系
针对R-TENG，国内外学者开展了大量的研究. 泊作用下，R-TENG球壳(浮子)会在其平衡点附近发
Yang等 设计制造了1个全封闭的球形摩擦纳米发电 生以垂荡、涌浪和横摇为主的运动，导致其与内部自
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机，驱动了60个LED灯. Zhang等 设计制造了1个新 由起电小球相对位置发生改变. 由于起电小球和附着
型球形摩擦纳米发电机，驱动了10个LED灯并可作为 于浮子内表面的金属电极材料具有不同的极性(即对
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自供电加速度传感器. An等 设计制造了1个旋转折 电子具有不同的束缚能力)，二者的相对运动(接触、碰
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叠式球形摩擦纳米发电机，输出最大瞬时功率达到 撞及滚动)会使它们带上异种摩擦电荷 ，并且在静电
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6.5 mW. Wang等 设计制造了新型球形摩擦纳米发 感应作用下，起电小球会使得两电极间产生电势差，
电机，驱动了数十个LED灯并且可为温度传感器供电. 这将驱动两电极上的摩擦电荷通过外电路发生定向
邱宇等 采用了静电场方法对球形摩擦纳米发电机 移动，以平衡电势差的变化 ，从而实现波浪能到电
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进行了仿真分析. 能的转换.
当前，针对R-TENG发电性能仿真方法的研究，还主 图1(c)为R-TENG的摩擦发电原理. 极性不同的起
要是从功能实现的角度，采用静电场仿真方法进行原理 电小球和金属电极经过若干次接触后，在其表面将分
性分析，忽略了内部结构中各子系统之间的耦合作用 别带上异种摩擦电荷，并随着接触次数的增加逐渐达
关系，且当前的研究主要是在给定外部激励运动状态 到电荷饱和 . 本文中的起电小球的材料选择为驻电
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情况下进行仿真及性能分析，实际上，TENG的输出性能 极材料，其表面摩擦电荷可以保持很长时间不变化 .
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高度依赖于外部激励的动态参数 ，为了开展R-TENG 为方便阐述，此处仅对四电极型R-TENG的下部分两
在真实海况下的性能研究与结构优化，并使其最终走 电极间的电流产生原理进行阐述如下：假定图1(c)中
向实用化，亟需建立针对R-TENG的高保真多物理场 (A)位置为初始位置，由于电荷守恒定律，起电小球表
耦合模型，进行仿真实海况条件下的高保真、全过程仿 面的摩擦电荷量与下部分两电极的摩擦电荷量之和

Spherical shell of Triboelectric ball Spherical shell of Spherical shell of Frictional
R-TENG R-TENG R-TENG positive charge
Triboelectric Surge Aluminum
Wave ball Aluminum electrode
electrode Triboelectric
Heave Pitch ball Frictional
Resistance (A) negative charge (B)

Direction of
movement of the waves
Aluminum
electrode
(C) (D)
(a) Physical structure of R-TENG (b) Working condition of R-TENG (c) Principle of triboelectric generator

Fig. 1 Working principle of R-TENG
图 1 R-TENG的工作原理