Запечатлевая движение,
Создавая истории

Исследовательская группа из Пекинского института наноэнергии и наносистем Китайской академии наук предложила новый подход к проектированию трибоэлектрических наногенераторов для сбора энергии волн. Этот метод объединяет оптимизацию плавучести-гравитации с проводящей 3D-печатью, что позволяет значительно повысить эффективность сбора энергии и эксплуатационную стабильность по сравнению с современными решениями. Соответствующая научная статья под названием Буевая гравитационная оптимизация трибоэлектрических наногенераторов через проводящую 3D печать для надежного сбора энергии волн была опубликована в журнале Материаловедение и инженерия R Отчеты (CAS Q1 Импакт-фактор 31.6).

Система захвата движения NOKOV использовалась для записи шестистепенного движения моделей поплавков в реальном времени с особым вниманием к изменению угла тангажа. С помощью многокамерной установки были получены точные кривые движения предоставляющие важные данные для экспериментальной проверки.

Цитирование:

Эрмин Су Шухсин Сюй Женьюй Ван Цзыцзе Сюй Сиянь Пань Чжун Линь Ван Лео Н.Й. Цао Буевая гравитационная оптимизация трибоэлектрических наногенераторов через проводящую 3D печать для надежного сбора энергии волн Материаловедение и инженерия R Отчеты том 164 2025 100953 https://doi.org/10.1016/j.mser.2025.100953

Научный контекст:

В условиях растущего мирового спроса на чистую энергию океанская волновая энергия привлекла внимание как возобновляемый ресурс. Однако традиционные методы сбора энергии волн сталкиваются с проблемами рентабельности и практичности особенно в условиях низкочастотных волн. ТЕНГ появились как новое решение для сбора энергии волн но имеют ограничения в структурной оптимизации особенно в плане внешнего дизайна и теоретического моделирования. Это исследование направлено на создание эффективных недорогих устройств на базе ТЕНГ адаптированных для сбора энергии низкочастотных волн.

Вклады:

1 Цилиндрический гранулированный трибоэлектрический наногенератор (CP-TENG) был разработан с использованием многослойной и проводящей 3D печати для сбора энергии от волн приливов и движений водных масс.

2 Гидродинамическая модель поплавка была оптимизирована через моделирование и эксперименты. На основе принципа баланса гравитации и плавучести были разработаны четыре различных модели поплавков и выявлена наиболее эффективная из них.

3 CP-TENG продемонстрировал высокую адаптивность отличную долговечность и мощные возможности сбора энергии волн подчеркивая потенциал для длительного беспроводного мониторинга морских условий.

Устройство

CP-TENG:Изготовленный с помощью многослойной проводящей 3D печати CP-TENG использует полилактид (PLA) наполненный углеродным волокном (CF) или углеродной сажей для обеспечения проводимости. Каждый канал внутри многослойной структуры содержит цилиндр из ПТФЭ выбранный через тестирование материалов для усиления электрического выхода. Устройство полностью закрыто для защиты окружающей среды и стабильности. В полевых испытаниях CP-TENG питал удаленные датчики достиг дальних расстояний передачи сигнала и показал отличную долговечность в волновых условиях.

Схематическая диаграмма структуры устройства CP-TENG

Оптимизация поплавка:Поплавок был разработан с внутренне-вогнутым профилем улучшающим стабильность и увеличивающим амплитуду тангажа при волновом воздействии. Четыре модели были оценены с помощью CFD моделирования через ANSYS AQWA и волновой бассейн экспериментов с системой захвата движения NOKOV. Модель 1 стала оптимальным решением показав наибольшие углы тангажа на разных частотах (47.7° и 64°) значительно превосходя остальные.

Четыре модели поплавков (слева) и оптическая фотография модели 1 (справа)

Эксперимент:

Для определения оптимальной структуры поплавка исследование провело как моделирование так и физические эксперименты чтобы анализировать и сравнивать кривые движения тангажа четырех моделей поплавков (Базовая модель Модель 1 Модель 2 и Модель 3) при различных частотах волн. Согласно результатам моделирования модель 1 показала углы тангажа 47.7° и 64° при меняющихся частотах волн значительно выше чем у других моделей что указывает на ее превосходное колебательное поведение.

Модуль гидростатического анализа программного обеспечения вычислительной гидродинамики AQWA (сверху) и три состояния движения зафиксированных системой захвата движения NOKOV (снизу)

Чтобы подтвердить надежность моделирования был проведен ряд физических экспериментов в помещении прямоугольного бассейна (1.2 м × 1.0 м × 1.0 м глубина воды 0.6 м) оборудованного 50-ваттным генератором волн. Движение поплавка было точно отслежено системой оптического захвата движения NOKOV.

Реальная экспериментальная установка (a) и программное обеспечение системы захвата движения NOKOV (b)

Система захвата движения NOKOV сыграла ключевую роль в проверке точности моделирования для моделей поплавков CP-TENG позволив исследователям подтвердить оптимальный дизайн поплавка и направить разработку финального прототипа.

Авторы:

Эрмин Су аспирант Пекинского института наноэнергии и наносистем Китайской академии наук сосредоточен на ТЕНГ голубой энергии и прецизионной 3D печати.

Шухсин Сюй аспирант того же института специализируется на ТЕНГ голубой энергии и самопитающемся чувствительном оборудовании.

Женьюй Ван доцент Института земного окружения Китайской академии наук специализируется на ТЕНГ нанокатализе и логистике.

Цзыцзе Сюй доцент Пекинского института наноэнергии и наносистем Китайской академии наук специализируется на интеллектуальной динамике жидкости и чувствительных системах.

Сиянь Пань аспирант изучает применение ТЕНГ в экологическом восстановлении.

Лео Н.Й. Цао (ведущий автор) доцент специализируется на ТЕНГ голубой энергии и 3D печати.

Чжун Линь Ван (ведущий автор) профессор и академик основатель концепции ТЕНГ известен своими достижениями в области энергетических нанотехнологий.