获取海洋资源的关键之一清洁能源-至少有一部分可能是静电。葡萄牙的一组研究人员现在已经成功地使用它来驱动一个导航浮标内的小型发电机,为浮标用来收集数据和援助水手的传感器和灯供电。虽然到目前为止这个项目的规模还很小,但研究人员说,这是一个重要的概念证明,这项技术可以补充现有的利用海浪的力量的尝试,以及其他自然发生的运动。

海洋是一个有吸引力的目标用于可再生能源的生产。波单独生产32000千瓦时每年的自然能源中,全世界都在使用23000千瓦时每年。还有水流、潮汐和热能的力量。但是,尽管经过几十年的研究,海洋的运动已经得到了证明难以驾驭.海浪的模式是不可预测的,海水会腐蚀金属发电设备,海浪的能量同时分散在三个维度上(上下、前后和左右)。

部分由于这些挑战,几个新兴的大规模海浪发电项目的电力输出已经下降落后的预测.葡萄牙的研究人员转而专注于一种更小、更易于管理的方法:为导航浮标供电,这种浮标通常包含引导船只的灯和监测海洋状况的传感器。研究小组转向了所谓的摩擦电纳米发电机(简称TENGs),它利用静电将运动转化为电流,原理与在毛绒毛衣上摩擦气球产生电荷相同。每个TENG的核心都有两个面积只有几平方厘米的表面,它们很容易带正电荷或负电荷。在这两个堆叠的表面上,研究人员放置了10个直径约12毫米的不锈钢球,它们可以自由移动。当它们的容器倾斜时,球就会滚动,摩擦两个表面。这就形成了静电荷,静电荷可以转化为电能,为电池提供动力。

葡萄牙波尔图大学的纳米技术博士生Cátia Rodrigues说:“我们开发了这些将节奏和机械能转化为电能的新设备。”上周,她在一家美国物理学会会议这是在网上举行的。“这些设备成本低廉。它们以高效率达到高功率密度,”Rodrigues说,并补充说,即使波浪很小且不频繁,TENGs也能继续表现良好。

TENG可以从任何形式的运动中产生能量,但Rodrigues和她的合作者们专注于测试各种TENG原型,以针对特定的波动运动条件进行优化。在他们最近的测试中,她和她的同事们想看看哪种设置能产生最稳定的电力:把所有的球放在一个像浅碗一样的圆形盆里,或者为每个球创造单独的“轨迹”,就像游泳者在游泳池的泳道里那样。

该团队在波尔图大学的水力学实验室工作,测试了嵌入在八分之一比例的海洋浮标复制品中的TENGs的设计。他们将模型放置在一个波浪池中,并模拟了葡萄牙菲盖拉达福兹附近海港出现的五种最常见的波浪模式。

2012年,佐治亚理工学院的一名研究人员发明了TENGs。罗德里格斯说,这项新研究标志着他们第一次在如此真实的波浪条件下进行测试。它是成功的:泳道式的TENG设计产生了最大230微瓦的输出足以驱动小型设备比如医用植入物。在不同的波浪条件下,它的能量转换也比碗形设计更一致。Rodrigues说,通过将多个TENGs或在金属球下表面添加纳米颗粒,可以提高输出功率,从而增加材料聚集电荷的能力。

加州蒙特雷湾水族馆研究所工程部主任安德鲁·汉密尔顿(Andrew Hamilton)说,TENGs可能会为阻碍其他海洋能源技术的关键问题提供解决方案,他没有参与这项新工作。他说,海洋是一个高力、低速的系统:它包含大量的能量,但这种能量分布广泛。因此,传统的旋转发电机发电所需要的能量往往超过一小块海洋所能提供的能量,而其他开发波浪动力浮标的尝试也存在缺陷。蒙特雷湾自己的浮标项目利用水面和悬挂在水下几十到几百米的平台之间的运动差来发电。但要在很深的地方工作,就需要一根很长的电缆,它会受到海浪和水下电流的破坏。2017年,一个印度的导航浮标由一个振荡的水柱系统提供动力:波浪交替地填充和清空一个部分淹没的容器,加速空气进出水柱。然后,快速流动的空气带动涡轮机发电。但这种方法会产生潜在的大噪音,而且它只利用了波的垂直运动。

TENG的小体积帮助它避免了这两个陷阱。罗德里格斯表示,其紧凑是它的优点之一,使得研究人员可以轻松地将TENGs与其他发电方法(如太阳能电池板或不同类型的波浪能采集器)结合起来。基于他们波浪池试验的成功,研究人员计划修改他们的TENG原型,并将其安装在菲盖拉达福斯的一个全尺寸浮标上。汉密尔顿指出,公海测试可能会带来在波浪池中无法模拟的挑战。他说:“任何为海洋全年使用而设计的东西,都必须为统计上每100年发生一次的风暴而设计。”他解释说,随着时间的推移,这种极端的防风雨设备往往会变得更笨重,更不灵活,更不耐用,因为增加的表面积提供了更多的磨损机会。

罗德里格斯并不畏惧。她说,她不仅研究“腾”在海洋中的表现,还研究其他“恶劣条件”下的表现,包括把它们放在地下水抽取井里,以及缝进鞋垫里。这些广泛的应用正是她希望在未来“随处”看到“腾”字的原因。