王中林院士：水面摩擦纳米发电机六自由度姿态跟踪和动力学/能量分析

中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所王中林院士团队在工程技术类一区期刊Applied Energy上发表论文《Dynamic behavior and energy flow of floating triboelectric nanogenerators》，论文被SCI&EI收录。

本文作者使用NOKOV度量动作捕捉系统，首次获得了不同漂浮型摩擦纳米发电机（F-TENGs）在水波激励下的六自由度（6DoF）信息。基于118篇研究论文的统计数据，系统地探索了最普遍适用的模态/参数，以及非刚体模型。从6DoF数据的计算和统计中剥离出的六维运动学雷达矩阵和能量梯度曲线，全面揭示了F-TENGs在与水波相互作用时的动力学行为和能量流动特性。研究结果可为结构设计的启发性框架，优化F-TENG对蓝色能量的利用。

引用格式

Shuxing Xu, Jiabin Zhang, Erming Su, Chengyu Li, Wei Tang, Guanlin Liu, Leo N.Y. Cao, Zhong Lin Wang, Dynamic behavior and energy flow of floating triboelectric nanogenerators, Applied Energy, Volume 367,2024,123468,ISSN0306-2619, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.123468.         

研究背景

波浪能是一种浩瀚而普遍的清洁能源，在新能源收集领域一直是研究热点。在这些研究中，通过摩擦起电和静电感应的漂浮型摩擦纳米发电机（F-TENGs）因其与海风和海浪运作周期的高度耦合、结构轻便、低成本制造以及大规模部署而备受赞誉。但目前仍然存在一些挑战，包括波浪与F-TENGs之间不实用的耦合方法、系统动态检测和分析方法的缺乏以及对参数优化的过度倾向。另一方面，F-TENGs的动态研究是片面的，缺乏系统性，先前的研究主要集中在特定F-TENGs的输出、模拟或动态计算上，没有对不同或通用F-TENGs的动力学变化进行系统的研究。因此，全面且系统性地了解F-TENGs与水波相互作用时的动态行为和能量流动特性成为本文的研究重点。

研究亮点

1 提出了一种漂浮型摩擦纳米发电机（F-TENGs）六自由度的分析方法，NOKOV度量动作捕捉系统提供高精度的位姿数据

2 具有控制变量的非刚性模型，具有通用性，更接近实际情况

3 给出了F-TENGs在波激励下的综合姿态跟踪和动力学/能量分析

4 所得的结果可以促进和指导F-TENGs结构优化，以提高波浪能量转换的效率

5 采用流体动力学分析软件阐明控制F-TENGs参数的规则

测试实验

实验在一个1.2米×1.0米×1.0米，水深0.6米的室内矩形水池中进行，配备一台额定功率为50w波浪发生器，并用NOKOV度量动作捕捉系统跟踪F- TENGs运动。

图1-真实水池中的测试环境

通过对不同浮子各指标的分析，包括重心、重量、直径、尺寸，以及基本模式，包括滚动模式、弹性模式和辅助模式，给出了F-TENGs在水波激励下的综合姿态跟踪和动力学/能量分析。

图2-动力学计算总体流程图

图3-动态计算流程图

通过动态计算，包括微分、矢量合成、参数替换、6DoF统计等，分析了F-TENGs的动力学数据，如速度、加速度、作用力、角速度、角加速度和力矩，并进行模拟仿真，辅助分析了F-TENGs在波浪激励下的响应。

这些对通用模式和基本参数的标准化测试和建模可以有效地协助未来F-TENGs的结构设计和优化。此外，这种视觉集成的测试方法为F-TENG的轨迹跟踪、多维分析、多体运动观测和模拟验证提供了一种有效的方法。

NOKOV度量动作捕捉系统为漂浮型摩擦纳米发电机（F-TENGs）提供高精度位姿数据，助力F-TENGs与水波之间综合姿态跟踪和动力学/能量分析。

作者介绍

徐淑星，中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所博士在读 。主要研究方向为：摩擦纳米发电机、蓝色能源、自驱动传感。

张佳斌，中国科学技术大学，生物医学工程学院博士在读。主要研究方向：摩擦纳米发电机、自驱动传感、智慧物流。

苏二明，中科院北京纳米能源与系统研究所博士在读。主要研究方向为：摩擦纳米发电机、蓝色能源、高精度3D打印。

黎承煜，香港理工大学，智能可穿戴系统研究院博士后。主要研究方向：摩擦纳米发电机、可穿戴设备、运动监测。

唐伟，中科院北京纳米能源与系统研究所，研究员，博士生导师。主要研究方向：摩擦纳米发电机、自驱动传感、接触电致催化。

刘官林（通讯作者），广西大学，纳米中心副教授。主要研究方向：摩擦纳米发电机、蓝色能源。

曹南颖（通讯作者），中科院北京纳米能源与系统研究所，副研究员。主要研究方向：摩擦纳米发电机、蓝色能源、3D打印技术。

王中林（通讯作者），中科院北京纳米能源与系统研究所、美国佐治亚理工学院，教授、院士。