波浪能与静电发电机一起前进

　　获取海洋清洁能源的关键之一，至少是一小部分，可能在于静电。葡萄牙的一个研究小组现在已经成功地使用它来运行一个导航浮标内的小型发电机，这些浮标内部通常布置了很多的传感器和电灯，用来收集数据和帮助水手。尽管到目前为止，这个项目的规模很小，但研究人员说，这是对一项技术概念的重要证明，这项技术可以补充现有的利用波浪能的尝试，以及其他自然发生的运动。
　　海洋是可再生能源发电的诱人目标。仅海浪每年就能产生3.2万太瓦时的自然能量，作为参考，全世界每年使用的能量大约2.3万太瓦时。此外海洋中还有洋流、潮汐和热能的能量可以利用。尽管科学家研究了几十年，但海洋的运动依旧是很难被驾驭的，因为波浪的运动模式是不可预测的，海水腐蚀金属发电装置，波浪的能量同时分散在三个维度(上下、前后和左右)。
　　在一定程度上，正是由于这些挑战，几个刚刚起步的大型海浪发电项目的发电量落后于预期。葡萄牙的研究人员转而专注于一种更小、更易于管理的项目:为导航浮标提供动力，这种浮标通常包括引导船只的灯光和监测海洋状况的传感器。该团队转向了所谓的＂摩擦电纳米发电机＂(TENGs)，这种发电机利用静电将运动转化为电流，原理与在毛衣上摩擦气球会产生电荷相同。每一个TENG的核心都有两个表面，面积只有几平方厘米，可以很容易地带正电或负电。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。当容器倾斜时，小球就会滚动并摩擦两个表面。这就形成了一种静电荷，这种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卡提亚-罗德里格斯说:＂我们开发了这些新型设备，可以将节奏和机械能转换成电能。＂上周，她在美国物理研究所(American Institute of Physics)举行的在线会议上发表了关于她的团队的波浪动力浮标的演讲。＂这些设备成本很低。它们达到了高功率密度和高效率，＂罗德里格斯说，并补充说，即使波浪很小且不频繁，TENG仍然表现良好。
　　ENGs可以从任何形式的运动中产生能量，但罗德里格斯和她的合作者集中测试了各种TENGs原型，以优化它们适应海浪运动的特定条件。在他们最近的测试中,她和她的同事们想知道如何将产生的电力一致:把所有的球放在一个圆形的浅碗式结构中或为每个球创建单独＂泳道＂使之在上运动。
　　在波尔图大学的一个水力学实验室里，研究小组测试了嵌入在八分之一比例海洋浮标复制品中的TENGs的设计。他们将模型放置在波浪池中，模拟了葡萄牙菲格埃拉达佛斯附近海港中出现的五种最常见的波浪模式。
　　TENGs是佐治亚理工学院的一名研究人员于2012年发明的。罗德里格斯说，这项新研究标志着它们首次在这样真实的波浪条件下进行测试。最终项目证明：泳道式的TENGs设计产生了230微瓦的最大输出功率，足以为医疗植入体等小型设备提供动力。与碗式设计相比，它在不同的波浪条件下也能更一致地转换能量。罗德里格斯说，通过将多个TENGs或在金属球下面的表面添加纳米颗粒，可以提高金属球的发电量，从而增加材料聚集电荷的能力。
　　加州蒙特利湾海洋研究所工程部主任安德鲁·汉密尔顿没有参与这项新工作，他说，TENGs可能为阻碍其他海洋能源技术的一个关键问题提供了解决方案。海洋是一个高强度、低速的系统:它包含大量的能量，但这种能量分布广泛。传统的旋转发电机发电所需的能量往往超过一小片海洋所能提供的能量，而开发海浪动力浮标的其他尝试也存在缺陷。蒙特利湾自己的浮标项目利用水面和悬挂在几十到几百米以下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，能承受海浪和水下水流的破坏。2017年，印度的一个导航浮标用一个振荡的水柱系统为自己提供动力:波浪交替地填充和清空一个部分淹没的舱室，加速空气进出水柱，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有问题的噪音，而且它只利用了波浪的垂直运动。
　　TENGs的规模较小，有助于它避免这两种缺陷。罗德里格斯说，紧凑性是它的优点之一，使研究人员能够轻松地将TENGs与其他发电方法结合起来，如太阳能电池板或不同种类的波浪能采集器。基于他们波浪池试验的成功，研究人员计划修改他们的TENGs原型，并将其安装在一个全尺寸浮标中。汉密尔顿指出，在公海上进行测试可能会遇到在波浪池中无法模拟的挑战。他说:＂你设计的任何可以全年在海洋中使用的东西，都必须为统计上每100年发生一次的风暴而设计。＂他解释说，这种极端的耐候性通常会使设备体积更大，操作难度更高，随着时间的推移，也更不耐用，因为增加的表面面积提供了更多的磨损机会。
　　罗德里格斯并不气馁。她说，她不仅在研究TENGs在海洋中的表现，也在其他＂恶劣条件＂下的表现，包括它们被放入地下水采井口，以及被缝在鞋垫里。这些广泛的应用就是为什么她希望在未来看到TENGs＂无处不在＂。