Nano Energy綜述：摩擦電納米發電機的機械能轉換系統:動力學和振動設計

【前言】

摩擦電納米發電機(TENGs)代表了一種有前景的下一代可再生能源技術。到目前為止，因為TENGs具有各種優點，例如重量輕、材料選擇自由、成本低和高功率轉換，所以其已經成功地被用作高敏感自供電的物聯網傳感器和便攜式/可穿戴電源。利用各種機械輸入源的能力是TENGs的另一個顯著優勢。然而，輸入源的不規則幅度和頻率是目前阻止在工業或實際應用中使用TENGs的關鍵限制

【成果簡介】

近日，來自韓國慶熙大學的Shinkyu Jeong和Dukhyun Choi（共同通訊）聯合在Nano Energy上發表綜述文章，題為“Mechanical energy conversion systems for triboelectric nanogenerators: Kinematic and vibrational designs”。作者將重點放在用于TENGs常規或受控運行的機械能量轉換系統(MECS)；為此，作者采用運動學或振動理論。一旦我們掌握了TENGs的機械操作，我們就可以預測這些器件的發電量。此外，機械頻率匹配可以大大降低電路的功率損耗。從旋轉運動到線性運動的運動控制，可以有效地提供接觸分離模式TENGS的高頻操作，使我們能夠獲得可持續的高性能TENGs。最后，TENGs的諧振系統設計可以產生最大的輸出功率。因此，作者討論了在設計帶有TENGs的諧振系統時，如何考慮阻尼效應或非線性影響。最后，這一綜述提供了一種有效的方法來避免浪費TENGs的不規則機械輸入源，使TENGs的實際商業化更加可行。

【圖文導讀】

1. 基礎理論

1.1.?動力學

圖1. 運用數學分析研究點和物體運動的幾何學

(a)三連桿系統運動學分析的概念。

(b)運動系統的使用和運動部件的舉例。

圖2.?齒輪運動模型

(a)齒輪，(b)凸輪從動件，(c)曲柄滑塊，(d)矩形飛輪

1.2.?具有沖擊非線性的振動系統

圖3. 一種通用的彈簧-質量阻尼系統及其自由體圖分析

(a)具有沖擊非線性的振動系統動態分析的概念。

(b)振動系統的使用和三種基本振動結構的舉例。

圖4.?沖擊非線性振動系統頻率響應特性的參數

(a)兩側帶有擋板的振動系統的分段模型。振幅頻率響應模擬顯示了(b)由于沖擊導致的硬化現象，(c)共振頻率位置隨質量增加而向左偏移，以及(d)共振頻率位置隨剛度增加而向右偏移。(e)振動系統的共振設計協議。

2.?TENGs的原理

2.1.?TENGs的工作原理

圖5.?TENGs的四種不同運作模式

(a)垂直接觸分離模式, (b)橫向滑動模式，(c)單電極模式，和(d)獨立式摩擦電層模式。

2.2.?TENGs的機械變量

圖6. 與TENGs開發相關的參數

TENG性能隨各種參數變化: (a)與i)相對介電常數和ii)表面電荷密度相關的材料特性；(b)幾何形狀，包括i)表面形態，ii)接觸面積，iii)電介質厚度，以及iv)間隙距離；(c)環境條件，包括i)相對濕度和ii)溫度；和(d)確定i)接觸頻率和ii)接觸力的輸入能量水平。

3.?TENGs的動能轉換系統

在這一部分中，作者回顧了先前研究人員提出的各種TENGs動能轉換系統。這篇綜述將這些系統分為四個不同的類別:基于1)齒輪系、2)凸輪從動件、3)桁架和4)螺旋彈簧的TENGs。以前，動力學系統與大量發電集成在一起，例如利用藍色能量的發電廠。這篇綜述集中于TENGs的動力學系統，并展示了機械系統對TENGs發展的重要性。

3.1.?齒輪集成TENG系統

圖7. 各種齒輪集成TENG系統

(a)基于齒輪和曲柄滑塊機構的TENG系統示意圖，(b)其功率密度隨不同傳動比變化。(c)使用齒輪系的水基TENG系統示意圖和(d)不同器件連接的輸出電壓示意圖。(e)基于齒輪的運動轉換TENG系統示意圖。(f)比較將線性運動轉換為旋轉運動之前和之后的輸出功率。

3.2.?基于凸輪從動件機理的TENG系統

圖8. 凸輪從動件機理的TENG系統

(a)基于凸輪從動機理的TENG系統示意圖和(b)從動件結構。(c)基于垂直接觸分離和側向滑動模式的TENGs的機械耐久性。(d)基于凸輪的TENGs的輸出電流，凸輪前端的數量變化。(e)基于凸輪的風車TENG系統和(f)不同風速下的輸出電流示意圖。

3.3.?基于桁架結構的能量采集系統

圖9. 基于桁架結構的摩擦電-壓電混合納米發電機

(a)基于桁架結構的PE-TE混合發電機的動力學分析。(b) PNG和TENG使用輸入頻率為11?Hz的桁架結構的輸出性能。(c)菱形網格結構TENG的示意圖，以及(d)其輸出功率隨單元數量變化的示意圖。

3.4.?基于螺旋彈簧的TENG系統

圖10. MFR-TENG系統

(a) MFR-TENG系統示意圖。(b) MFR-TENG系統的輸入能量存儲部分。(c) MFR-TENG系統的能量釋放部分。(d) MFR-TENG在10、20、30、40和50?Hz頻率下的調節輸出電壓。(e)比較不同TENG頻率下的輸出TENG電流和變壓器電流輸出。

4.?TENGs振動能量轉換系統

在這一部分，作者回顧了文獻中發現的各種TENG振動系統設計。如前所述，大多數振動系統設計基于螺旋彈簧、懸臂梁彈簧或固定梁彈簧。盡管文獻中已經報道了其他新穎的振動TENG設計，例如基于球的結構、夾層彈性波浪結構和彈性多單元TENG結構，但是本文僅關注三種主要振動結構以及設計參數對TENG頻率響應輸出的影響。

4.1.?基于螺旋線圈彈簧的TENG系統

圖11. 基于螺旋彈簧的TENG振動能量轉換系統

實驗確定振動TENG (a)帶寬和(b)阻尼的方法。具有(c)面外運動和(d)面內運動的多方向TENG的電壓和電流輸出頻率響應。(e)串聯TENG系統設計，具有垂直堆疊布置。戰略設計的串聯TENG的電壓輸出頻率響應。

4.2.?懸臂梁彈簧式TENG系統

圖12. 基于懸臂梁彈簧的TENG振動能量轉換系統

(a)具有尖端質量的雙沖擊懸臂TENG示意圖，以及(b)不同懸臂長度和尖端質量下的相應輸出頻率響應。(c)調整懸臂梁的長度在不同頻率下工作的懸臂梁示意圖，以及(d) 15?Hz諧振頻率下最長懸臂梁的TENG輸出(e)具有非線性沖擊的雙共振結構懸臂梁示意圖，以及(f)在不同輸入加速度下的功率輸出頻率響應。

4.3.?基于固定梁彈簧的TENG系統

圖13. 固定梁彈簧的TENG系統

TENG的基于固定梁彈簧的振動能量轉換系統。(a) PTFE膜振動頻率模式的圖示，以及(b)不同紙張厚度下的電流輸出頻率響應。(c)頻率選擇性TENG及其操作示意圖，其中振動PTFE膜連接到九個電極上。(d)電極數量與PTFE膜局部共振頻率之間關系的結果。(e)四個TENG的聲能采集示意圖和(f)輸出頻率響應。

【總結】

自2012年發明以來，由于材料選擇的高自由度、大量的操作源、高功率重量比和各種設備結構等原因，TENGs作為微功率系統、自供電傳感器和安全監控系統得到了廣泛的研究。最近，它們通過利用豐富的潮汐和海浪(即藍色能量)被進一步應用于第四次工業革命中的人類自適應、自供電的物聯網電子設備，甚至是大規模電源。并且我們可以將TENGs的應用擴展到新的市場，例如個人/工業/軍事無人機，在這些市場，需要額外的能量來增加電池的使用時間。到目前為止，許多研究人員已經將重點放在新的材料設計、表面處理和幾何效應上，以改善TENGs的性能。雖然這些研究非常重要，但改進機械系統設計以實現不規則的輸入能量轉換可能是實現TENGs商業化的最佳機會。

因此，這篇綜述從其基本理論到不同的使用情況系統地探討了TENGs的動力學和振動能量轉換系統。在動力學能量轉換系統的情況下，機械部件可分為(i)齒輪集成TENGs，(ii)凸輪從動件集成TENGs，(iii)桁架結構集成TENGs，以及(iv)基于螺旋彈簧的TENGs系統。在振動能量轉換系統的情況下，不同的結構被分類為(i)基于螺旋彈簧的TENGs，(ii)基于懸臂梁彈簧的TENGs，和(iii)基于固定梁彈簧的TENGs。詳細的參考資料是經過戰略選擇的，以便根據實例理解不同設計問題的解決方案。

完整的能量收集系統由輸入能量源、與TENG集成的MECS和待供電的負載電路組成。我們環境中的機械能在輸入行為是不規則的，而要供電的負載電路需要調節和可預測的輸出。通過采用基于運動學和振動設計的MECS，我們可以提高TENG的能量轉換性能，并從TENG獲得受控輸出。盡管總系統尺寸可能會增加，效率可能會降低，但是為了避免負載電路階段的清除功率的顯著損失，MECS的使用變得不可避免。因此，對這些系統的優化及其與TENG的集成的進一步研究可以導致基于TENG的完整能量收集解決方案的實現。作者希望這篇綜述能啟發讀者，優化MECS設計對于改善和控制TENGs輸出的重要性。此外，基于MECS的基本功能，除了TENGs之外，其他不同類型的機械能量采集器，例如PENS和EMGS，可以利用這種MECS產生高質量的優化輸出功率。

文獻鏈接：Mechanical energy conversion systems for triboelectric nanogenerators: Kinematic and vibrational designs, (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.11.056).

本文由材料人編輯部計算組Z,Chen供稿，材料牛整理編輯。

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