据统计，2000年至2019年间所发生的洪涝灾害造成了全球约6510亿美元的经济损失。因此，探索科学先进的水灾风险管理解决方案具有重大的经济价值和社会意义。由于极端事件的突发性和随机性，水灾报警系统必须具备及时检测水文数据的能力，才能实现可靠的水灾响应。然而，目前的水灾报警系统普遍依赖商用电池，限制了防灾规划和维护成本的智能化发展。因此，为水灾报警系统开发新的供电方式是实现及时、高效报警的关键。
中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、蒋涛研究员等人报道了一种基于摩擦纳米发电机（TENG）的自供电智能浮标，用于水波能量收集和水灾报警。具有四个螺旋单元的球形TENG装置与电荷激励模块（CEM）集成后提高了电输出，其输出电流和输出功率可以达到15.09 mA和24.48 mW，分别提高了250.5和4倍。基于该集成CEM的TENG，作者构建了一种自供电智能浮标，成功实现了水位报警系统以及手机水位信息交换系统。该工作将TENG的应用扩展到水波能量收集领域，并为水灾预警提供了新的策略。该研究以题为“Self-Powered Intelligent Buoy Based on Triboelectric Nanogenerator for Water Level Alarming”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。
【自供电水灾报警系统的设计】
自供电智能浮标主要包含三部分：TENG、CEM、功能电路。TENG用于收集水波能量，将机械能转化为电能；CEM与TENG集成，以提高其电气输出并驱动后端功能电路有效工作；功能电路用于实现水位信息检测和信号传输。因此，该浮标能以其工作环境中的水波能量为动力，实现工作环境的信息检测和风险预警。TENG单元是由硅胶材料通过3D打印技术成型为弹簧形状，并在两面贴上铜箔作为电极，PET薄膜作为介电层。在外力的作用下，TENG单元被压缩和拉长，实现电极和介电层的接触和分离，导致相反电荷在各自表面上积累，最终实现机械能到电能的转换。考虑到水灾环境中波浪条件的随机性，作者在亚克力球壳内以正四面体形式组装了四个TENG单元。这种设计可以适应不同方向的水波能量收集，提高结构灵活性和能量转换效率。
图1自供电水灾报警系统的设计
图2 TENG单元与CEM的集成
【球形TENG装置的电输出性能】
集成CEM后，单个TENG单元的输出电流从4.0 µA提高到4.3 mA，相应的转移电荷从38.5 nC提高到2.9 µC。为了不受方向限制，作者将四个TENG单元以正四面体的形式构建成一个球形TENG装置，并在六自由度平台模拟的水波下测量其电输出性能。随着负载电阻从10 Ω增加到20 kΩ，电流从15.09下降到0.10 mA，并在匹配电阻为680 Ω时功率达到最大值24.48 mW。同时，该装置的功率密度可计算为11.4 W m-3。CEM的集成大大增加了TENG的电容，使其等效内部阻抗相应下降。因此，输出功率的匹配电阻明显降低。作者将短路电流和最大功率与集成CEM之前的结果进行了比较，结果表明电流和功率分别提高了250.5倍和4.0倍，凸显了CEM对于电输出性能的增强效果。
图3球形TENG装置的电输出性能
【应用演示】
基于TENG强大的波浪能收集能力，作者成功演示了该自供电水位报警系统。首先将球形装置内的TENG单元通过CEM和整流桥并联。然后，用一个470 µF的电容器存储电能，为功能电路供电，构成一个自供电智能浮标。初始水位为25厘米，而水位传感器开关设置为35厘米。随着水位不断上升，球形TENG装置被水波触发，将机械能转化为电能并储存在电容器中。经过20 s的预充电时间后，发射端电压可充电至3 V。当水位达到35厘米时，水位感应开关打开，信号发射单元工作，点亮LED报警灯。此外，作者还构建了自供电智能浮标与手机之间的水位信息交换系统。当水位达到一定高度时，该系统可将水位信息传送到手机。当水位超过预警值时，手机会自动拨打电话并向紧急联系人发送包含GPS信息的短信。
图4自供电水灾报警系统的应用演示
总结：作者报道了一种基于TENG的自供电智能浮标，能够通过收集其工作环境中的水波能量来实现功能应用，打破了商业用电的限制。集成CEM的球形TENG的最大输出电流和输出功率分别达到15.09 mA和24.48 mW。凭借其高电气输出性能，作者成功演示了水位报警系统和手机水位信息交换系统。这种自供电智能浮标为水灾预警提供了新的策略，在物联网、防灾等领域具有应用潜力。
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原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202205313
来源：高分子科学前沿
