An Ultra-Durable Windmill-Like Hybrid Nanogenerator for Steady and Efficient Harvesting of Low-Speed Wind Energy
Ying Zhang, Qixuan Zeng, Yan Wu, Jun Wu, Songlei Yuan, Dujuan Tan, Chenguo Hu, Xue Wang*
Nano‑Micro Lett.(2020)12:175
https://doi.org/10.1007/s40820-020-00513-2
1. 创新地利用风车结构，发明了一种“旋转-接触分离”模式杂化纳米发电机，实现了高鲁棒性的低速风能采集与转化。
2. 创造性地利用弹簧钢片和双功能磁铁元件，作为接触分离运动的助推器。
3. 摩擦发电与电磁发电的优势互补极大地提升了装置的输出效率。
近年来新兴的摩擦纳米发电技术(Triboelectric Nanogenerator, TENG)由于材料来源广泛、工作模式灵活，制备过程简单等优势，在风能收集与转换方面展现出了广阔的应用前景。目前，最典型的风能收集TENG大致可以分成两大类：旋转式和颤振式。虽然大量研究证实上述两种模式的TENG用于风能收集发电展现出优异的性能，然而仍然存在能量转换效率较低、器件磨损严重、工作寿命短，切入风速高等问题有待解决。此外，地球大陆的平均近地风速约为3.28m/s，而目前报道的大多数风能收集TENG可实现有效电输出的风速都高于这个值。因此，开发一种能够在环境风速条件下实现稳定高效的风能转化的TENG，对补充现有的风力发电技术以及推广摩擦纳米发电机的实际应用具有非常重要的科学意义和应用价值。重庆大学物理学院王雪副教授课题组报道了一种高效耐用且可大规模收集微风能量的风车式杂化纳米发电机(windmill-like hybrid nanogenerator (W-HNG))。该装置复合了摩擦发电机(TENG)和电磁感应发电机(EMG)，创造性地利用弹簧钢片的导电性以及弹性，使其既是发电机的电极，又是接触-分离运动的助推器。同时，创新地赋予磁铁元件双重功能，使其为电磁感应发电机提供磁源的同时又解决了接触分离式TENG电极间容易因静电吸附不易分开的问题。该装置由前端扇叶捕获风能后转换成后端发电机单元的接触-分离运动，由此有效地降低了电极材料的磨损并延长了器件的工作寿命，同时通过减小旋转摩擦阻力极大地促进了装置对低速风能的收集，进而提升了发电机的耐久性和能量转化效率。
研究人员通过对W-HNG电学输出特性的系统研究以及COMSOL模拟辅助分析，阐明了弹簧钢片和磁铁的参数对W-HNG输出性能的影响，获得了一种可高效收集低速风能的杂化纳米发电机。在风速低至1.8 m/s时，TENG和EMG单元的输出功率可分别达到0.95和3.7 mW。此外，该W-HNG还可捕获环境风能为微小电子器件供电。
I W-HNG的结构设计和工作机理
图1a所示为单个W-HNG结构设计示意图，由于弹簧钢片具有弹性和导电性，因此采用其作为TENG的电极和摩擦层FEP的支撑物，在压克力板上的铝箔作为TENG的另一电极和摩擦层。为克服摩擦层表面的静电吸附和提供EMG的磁源，引入了双功能的磁铁元件，铜线圈被固定在压克力板上表面。四个单元和扇片组装如图1b、c，图1d 为W-HNG的大型集成网络图。图2a为TENG的工作机理，在摩擦层的接触分离过程中输出交流电信号，此外还通过COMSOL multiphysics软件采用有限元方法模拟了开路条件下真空中相应的电势分布，结果如图2b所示。
图1. 风车式的杂化纳米发电机(W-HNG)的结构示意图。(a) W-HNG单元结构。(b) 整个装置的示意图。(c) W-HNG实物照片。(d) 大规模收集低速风能的W-HNG网络。
图2. (a) W-HNG的工作机理。(b) 开路条件下COMSOL模拟的W-HNG电极间不同角度的电位分布。(c) 在不同磁铁质量时，和的输出信号。(d) 改变弹簧钢板厚度和长度，FEP和Al之间的最大位移。
II 磁铁质量和弹簧钢片参数对W-HNG输出性能的影响
显然，弹簧钢片的厚度和长度，磁铁的质量等因素都对W-HNG的输出性能有较大影响，为了得到更高的输出性能，我们测试了不同结构参数对该装置的影响。根据图2c的实验结果显示，当附加磁铁质量达到6克时，TENG的输出值达到最佳。因此，确定了磁铁质量为6克。如图2d所示，铝箔与FEP之间的最大位移(x)随弹簧钢片厚度的减小而增大，表明刚度较小的钢板有利于两个电极的分离，同时x随弹簧钢片长度的增大而增大。
三维图形(图3a-c)是由双线性插值平滑算法得到,及其对应的二维图(图3 d-f)，其中出现异常点的原因是钢片在旋转过程中刚度系数太小，无法恢复到原来的状态，导致摩擦材料之间的接触面积减少。因此，厚度为0.10 mm实现最优输出值，表明钢片劲度系数不能太大也不能太小，若刚度过小，根据胡克定律F = KX (K为弹簧刚度系数，X为变形程度)，其对Al电极施加的力会减小，刚度过大会导致摩擦层之间接触不足。电流和电压随着有效工作区面积的增加而增加，但当长度超过10 cm时，接触-分离速度有所减缓。因此，确定厚度为0.10 mm、长度为10 cm、宽度为25 mm的钢片为最佳结构参数。
图3. W-HNG参数优化。在弹簧钢片不同长度和厚度下的三维表面图 (a) ，(b) 和(c) 及其对应的二维图形(d-f)。
为了进一步研究W-HNG实际收集风能的能力，通过改变风速(1.8-4.8 ms⁻¹)探究TENG和EMG的电输出特性，结果如图4所示。TENG、EMG单元的开路电压和短路电流分别达到1150 V，8.5 μA，0.7 V和6.7 mA。根据之前的研究，输出电压的峰值与工作频率无关，但与两种摩擦材料之间的位移有关。因此，观察到电压信号呈线性衰减，其原因是两个摩擦层之间的相对位移(x)随着风速的增大而逐渐减小，与运行频率密切相关，而运行频率与风速成正比。因此，实际的TENG的和与理论结果是一致的。如图4c f所示，W-HNG所产生的输出功率足以驱动某些低能耗电子器件运行，证明该装置是一个高效稳定的风能采集器，有望实现全新的分布式供能。
图4. W-HNG的电学输出性能。在风速为1.8-4.8 ms⁻¹，(a, b) 单个TENG和(d, e) EMG单元的电压和电流输出信号。当风速为1.8 ms⁻¹时，(c) TENG和(f) EMG的输出功率和匹配阻抗测试。
IV W-HNG的实际应用
基于以上的分析，可将此复合发电机实行规模化生产，以收集微风能量并为各种传感网络提供电源。如图5所示，该风能采集装置可应用于多种场景。研究了经整流电路将交流信号转换为直流输出的TENG/EMG在4.8 ms⁻¹风速下对商业电容的充电能力如图5a-b。此外，还可为电子表和LED灯供电。这些结果表明，W-HNG不仅可以用来收集风能，而且可以实现自供电系统，有望解决物联网时代巨大传感网络的供能问题。
图5. W-HNG的实际应用。(a) TENG在4.8 ms⁻¹风速下为商业电容器充电的电压曲线，插图为充电电路图。(b) TENG、EMGs和混合纳米发电机为10μF电容器充电的充电曲线，插图为充电电路图。(c) 在风速为1.8 ms⁻¹时为电子表连续几个工作周期的充电电压曲线。(d) 点亮串联的LED灯的照片。
张莹
本文第一作者
重庆大学 硕士研究生
摩擦纳米发电机。
▍主要研究成果
以第一/共同作者在Nano micro-letters, Nano Energy发表论文3篇。参与国家自然科学基金面上项目，中央高校基本科研业务费前沿交叉研究专项，重庆市研究生科研创新项目等。
王雪
本文通讯作者
重庆大学 副教授
摩擦纳米发电机，自驱动传感系统。
▍主要研究成果
在国际著名SCI期刊Advanced Energy Materials，Nature Communications，Nano Energy，NanoResearch，Journal of Power Sources等杂志发表论文60余篇，其中ESI高被引论文6篇。荣获2019年度重庆市科学技术奖自然科学一等奖，2018年度重庆大学科学技术奖自然科学一等奖，2020年度重庆大学 “十佳优秀青年教师” 等奖项。作为项目负责人主持国家自然科学基金面上项目、青年项目，重庆市自然科学基金面上项目，中央高校基本科研业务费前沿交叉研究专项，中央高校基本科研业务费成果与平台培育专项等。
▍Email: xuewang@cqu.edu.cn
Nano-Micro Letters《纳微快报》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc)，包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、CNKI、CSCD、知网、万方、维普等数据库收录。2019 JCR影响因子：12.264。在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前15%)。2019 CiteScore：12.9，材料学科领域排名第4 (4/120)。中科院期刊分区：材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820)，欢迎关注和投稿。
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