用海洋平台上的传感器和其他设备监测海啸、飓风和海洋天气，以帮助保护沿海社区的安全——直到这些平台上的电池电量耗尽。没有电力，海洋传感器无法收集关键的波浪和天气数据，这导致依赖准确海洋天气信息的沿海社区的安全问题。在海上更换电池也很昂贵。如果可以通过海浪中的能量无限期地为设备供电来避免这一切呢?

太平洋西北国家实验室 (PNNL) 的研究人员正在努力通过开发新型圆柱形摩擦纳米发电机 (TENG) 来实现这一目标，TENG 是一种将波浪能转化为电能为海上设备供电的小型发电站。该发电机的更大版本可用于为海洋观测和通信系统提供动力，包括声学和卫星遥测。

“TENG 成本低、重量轻，并且可以有效地将缓慢、均匀或随机的波转化为电能——这使得它们特别适合为公海中的设备供电，因为在公海中，监测和访问具有挑战性且成本高昂，”PNNL 的 Daniel Deng 解释说。新 TENG 设备的实验室研究员和共同开发者。

邓和他的团队采用了一种新颖的方法来推进圆柱形 TENG 在公海中的使用。他们正在申请专利的倍频圆柱形摩擦纳米发电机 (FMC-TENG) 使用精心放置的磁铁，比其他圆柱形 TENG 更有效地转换能量，并将缓慢、均匀的波转化为电能。到目前为止，FMC-TENG 原型已经能够产生足够的电力来为声学发射器提供动力——一种通常包含在海洋观测平台上的传感器，可用于通信。这与为 LED 灯泡供电所需的电量大致相同。

“我们正在开发 FMC-TENG，为从配备多个传感器的海洋观测平台到卫星通信的一切提供动力，所有这些都使用海洋的力量，”邓说。

人造毛皮、磁铁和电波

如果您曾经被静电电击过，那么您就亲身体验过摩擦电效应——研究人员在 FMC-TENG 中利用这种效应来发电。圆柱形 TENG 由两个嵌套的圆柱体组成，内圆柱体可自由旋转。在两个圆柱体之间是人造毛皮条、铝电极和一种类似于聚四氟乙烯的材料，称为氟化乙烯丙烯 (FEP)。当 TENG 沿着海浪表面滚动时，一个圆柱体上的人造毛皮和铝电极与另一个圆柱体上的 FEP 材料摩擦，产生可转化为电能的静电。

圆柱形 TENG 移动得越多，它产生的能量就越多。这就是为什么快速、频繁的波浪比开阔海洋中较慢、更均匀的波浪能产生更多的能量。为了设计出可以在公海中为电子设备供电的 TENG，Deng 和他的团队着手增加 FMC-TENG 中转换为电能的波能。事实证明，关键是暂时阻止 FMC-TENG 的内筒移动。

在 FMC-TENG 中，该团队放置了磁铁以阻止设备中的内圆柱旋转，直到它到达波峰，使其能够积聚越来越多的势能。接近波峰时，磁铁释放，内部圆柱体开始快速地顺着波浪滚动。更快的运动更有效地产生电力，从更慢的波中产生更多的能量。

公海波浪能转换器

目前，FMC-TENG 原型可以产生足够的电力来运行小型电子设备，如温度传感器和声学变送器。随着团队反复进行商业用途的设计，FMC-TENG 有望产生足够的电力来运行整个开放海洋监测平台，包括多个传感器和卫星通信。此外，FMC-TENG 重量轻，可用于自由漂浮设备和系泊平台。

“FMC-TENG 是独一无二的，因为很少有高效的波能转换器能够从低频海浪中产生大量能量，”邓说。“这种类型的发电机可能会为带有传感器阵列的集成浮标提供动力，以完全使用可再生海洋能源来跟踪开阔的海水、风和气候数据。”