Nano Research: 仿魚鱗結構摩擦納米發電機高效收集轉動機械能

【引言】

隨著化石能源的逐漸枯竭，風電、水電等可再生能源的利用，是解決全球能源危機最有效的方法。而風電和水電的收集主要通過葉片或渦輪實現。當氣流或者水流通過時，葉片將風能或者水能轉換為轉動機械能。然而，傳統的電磁發電機在低頻下(低風速，低流速)輸出電壓極小，不能被有效利用。與電磁發電機不同，摩擦納米發電機(TENG)在低頻下也有著很高的輸出電壓。利用摩擦納米發電機收集低頻轉動機械能具有重要的意義。用于收集轉動機械能的摩擦納米發電機一般是滑動摩擦式，摩擦材料的相對位移摩擦使得材料磨損嚴重，輸出不穩定，使用壽命縮短。如何降低摩擦材料的損耗，使得摩擦納米發電機可以長時間穩定的輸出，是摩擦納米發電機研究領域的一個重要課題。

【成果簡介】

近日，中科院北京納米能源與系統研究所李從舉研究員(通訊作者)等人在Nano Research發表了題為"Ultra-robust triboelectric nanogenerator for harvesting rotary mechanical energy"的研究論文，報道了一種仿魚鱗結構的摩擦納米發電機(SL-TENG)。杜新宇助理研究員和李念武助理研究員為共同第一作者。文章設計的這種新型摩擦納米發電機的工作方式為接觸分離式。摩擦材料之間沒有相對位移摩擦，因此材料磨損大大降低，使用壽命大大延長，輸出穩定性大大提高。測試表明，SL-TENG在連續工作15h，輸出超過一百萬個周期交流電信號的情況下，輸出電壓沒有衰減。在低轉速下，SL-TENG輸出電壓峰峰值超過500 V，可以用來高效的收集風能，水流能，機動車制動等轉動機械能。此外，研究者還利用能量管理電路將SL-TENG輸出的高壓交流電轉化成了5V的低壓直流電。該低壓直流電可以持續的驅動無線傳感器對環境進行實時監控，從而形成自驅動的無線傳感器件。這種自驅動的無線傳感器可以廣泛的部署，從而在環境保護、基礎設施監控、國防安保監控等領域發揮重要作用。

【圖文導讀】

圖1 魚鱗結構摩擦納米發電機

（a）魚鱗結構納米發電機結構；

（b）等離子體刻蝕PTFE薄膜形成的納米線結構顯微照片；

（c）多層鱗片結構摩擦材料；

（d）魚鱗結構摩擦納米發電機轉子實物圖；

（e）魚鱗結構摩擦納米發電機定子實物圖。

圖2 魚鱗結構摩擦納米發電機輸出

（a-b）輸出電壓和輸出短路電流；

（c）轉速為120 rpm時，輸出電壓、電流隨外電阻變化關系；

（d）不同轉速下的輸出功率與外接阻抗關系；

（e）不同轉速下給一個10 μF的電容充電；

（f）轉速120 rpm下給鋰電池充電半小時后恒流100 μA放電可持續一小時。

圖3 魚鱗結構摩擦納米發電機驅動電子產品

（a）驅動科學計算器；

（b）能量管理電路將魚鱗結構摩擦納米發電機產生的交流電轉換為直流恒壓電；

（c）魚鱗結構摩擦納米發電機驅動無線溫度傳感器；

（d）無線溫度傳感器在魚鱗結構摩擦納米發電機供電下工作。

文獻鏈接: Ultra-robust triboelectric nanogenerator for harvesting rotary mechanical energy?(Nano Res., 2017, DOI: 10.1007/s12274-017-1916-5)

本文由中科院北京納米能源與系統研究所納米智能紡織實驗室供稿。

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