據統計，2000年至2019年間所發生的洪澇災害造成了全球約6510億美元的經濟損失。因此，探索科學先進的水災風險管理解決方案具有重大的經濟價值和社會意義。由於極端事件的突發性和隨機性，水災報警系統必須具備及時檢測水文數據的能力，才能實現可靠的水災響應。然而，目前的水災報警系統普遍依賴商用電池，限制了防災規劃和維護成本的智能化發展。因此，為水災報警系統開發新的供電方式是實現及時、高效報警的關鍵。
中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士、蔣濤研究員等人報道了一種基於摩擦納米發電機（TENG）的自供電智能浮標，用於水波能量收集和水災報警。具有四個螺旋單元的球形TENG裝置與電荷激勵模塊（CEM）集成後提高了電輸出，其輸出電流和輸出功率可以達到15.09 mA和24.48 mW，分別提高了250.5和4倍。基於該集成CEM的TENG，作者構建了一種自供電智能浮標，成功實現了水位報警系統以及手機水位信息交換系統。該工作將TENG的應用擴展到水波能量收集領域，並為水災預警提供了新的策略。該研究以題為「Self-Powered Intelligent Buoy Based on Triboelectric Nanogenerator for Water Level Alarming」的論文發表在《Advanced Functional Materials》上。
【自供電水災報警系統的設計】
自供電智能浮標主要包含三部分：TENG、CEM、功能電路。TENG用於收集水波能量，將機械能轉化為電能；CEM與TENG集成，以提高其電氣輸出並驅動後端功能電路有效工作；功能電路用於實現水位信息檢測和信號傳輸。因此，該浮標能以其工作環境中的水波能量為動力，實現工作環境的信息檢測和風險預警。TENG單元是由硅膠材料通過3D打印技術成型為彈簧形狀，並在兩面貼上銅箔作為電極，PET薄膜作為介電層。在外力的作用下，TENG單元被壓縮和拉長，實現電極和介電層的接觸和分離，導致相反電荷在各自表面上積累，最終實現機械能到電能的轉換。考慮到水災環境中波浪條件的隨機性，作者在亞克力球殼內以正四面體形式組裝了四個TENG單元。這種設計可以適應不同方向的水波能量收集，提高結構靈活性和能量轉換效率。
圖1自供電水災報警系統的設計
圖2 TENG單元與CEM的集成
【球形TENG裝置的電輸出性能】
集成CEM後，單個TENG單元的輸出電流從4.0 µA提高到4.3 mA，相應的轉移電荷從38.5 nC提高到2.9 µC。為了不受方向限制，作者將四個TENG單元以正四面體的形式構建成一個球形TENG裝置，並在六自由度平台模擬的水波下測量其電輸出性能。隨着負載電阻從10 Ω增加到20 kΩ，電流從15.09下降到0.10 mA，並在匹配電阻為680 Ω時功率達到最大值24.48 mW。同時，該裝置的功率密度可計算為11.4 W m-3。CEM的集成大大增加了TENG的電容，使其等效內部阻抗相應下降。因此，輸出功率的匹配電阻明顯降低。作者將短路電流和最大功率與集成CEM之前的結果進行了比較，結果表明電流和功率分別提高了250.5倍和4.0倍，凸顯了CEM對於電輸出性能的增強效果。
圖3球形TENG裝置的電輸出性能
【應用演示】
基於TENG強大的波浪能收集能力，作者成功演示了該自供電水位報警系統。首先將球形裝置內的TENG單元通過CEM和整流橋並聯。然後，用一個470 µF的電容器存儲電能，為功能電路供電，構成一個自供電智能浮標。初始水位為25厘米，而水位傳感器開關設置為35厘米。隨着水位不斷上升，球形TENG裝置被水波觸發，將機械能轉化為電能並儲存在電容器中。經過20 s的預充電時間後，發射端電壓可充電至3 V。當水位達到35厘米時，水位感應開關打開，信號發射單元工作，點亮LED報警燈。此外，作者還構建了自供電智能浮標與手機之間的水位信息交換系統。當水位達到一定高度時，該系統可將水位信息傳送到手機。當水位超過預警值時，手機會自動撥打電話並向緊急聯繫人發送包含GPS信息的短訊。
圖4自供電水災報警系統的應用演示
總結：作者報道了一種基於TENG的自供電智能浮標，能夠通過收集其工作環境中的水波能量來實現功能應用，打破了商業用電的限制。集成CEM的球形TENG的最大輸出電流和輸出功率分別達到15.09 mA和24.48 mW。憑藉其高電氣輸出性能，作者成功演示了水位報警系統和手機水位信息交換系統。這種自供電智能浮標為水災預警提供了新的策略，在物聯網、防災等領域具有應用潛力。
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原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202205313
來源：高分子科學前沿
