中北大學 薛晨陽&丑修建 Nano Energy: 用于波浪能量收集的二維摩擦電磁混合納米發電機

【文章亮點】

1、結合摩擦納米發電機(TENG)和電磁發電機(EMG)，混合式納米發電機可以在更寬的頻率下從水中獲取更多能量；

2、提出了一種新的滾動結構摩擦電磁混合納米發電機，用于獲取二維層面的隨機水波能量；

3、混合式納米發電機在自供電無線聲學傳感系統中具有潛在的應用。

【背景介紹】

? ? ? ? 隨著能源危機的加劇和自然環境的惡化，清潔和可再生能源的開發和利用受到全世界的重點關注。地球擁有豐富的水資源，水波能量廣泛分布在地球上，幾乎不依賴于氣候、溫度或季節。因此，大規模的、高效的收獲海浪能源一直是研究的熱點，對取代不可再生的化石燃料具有重要意義。

? ? ? ? 目前，基于不同的機制將波能轉換成電能的方法主要是電磁、摩擦電和壓電效應。基于電磁效應的傳統水波能轉換方法，雖然具有轉換效率高、耐用性好等優點，但是它不太適合收集低頻機械能。水波不僅包含高頻機械能而且還包含低頻機械能，并且水波的典型頻率是低于2 Hz。近些年來，基于摩擦起電和靜電感應原理的摩擦納米發電機(TENG)已被證實是一種有效的、可行的低頻機械能收獲方法。作為有希望大規模的收獲水波能量的潛在方法，具有制造容易、成本低的優點。因此，將摩擦納米發電機(TENG)和電磁發電機(EMG)集成在一起是一種很好的方法，以有效地從高頻和低頻水波中獲得更多能量。此外，海浪最顯著的特征是其隨機性，從多個方向收集能量可以充分利用波浪能。但是許多報道的水波能量采集器到目前為止只能沿單一方向收集能量，這導致實際應用中的能量浪費。

【成果簡介】

? ? ? ? 最近，中北大學的薛晨陽教授和丑修建教授（共同通訊作者）等人共同報道了一種用于收集水波能量的由摩擦納米發電機 (TENG)和電磁發電機 (EMG)組成的盒狀摩擦電磁混合納米發電機。在TENG的情況下，由海浪形成鋁膜涂覆的聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)圓柱體和硅樹脂膜覆蓋的交叉銀(Ag)電極之間的接觸和分離。在EMG的情況下，旋轉的磁性球被放置在四個線圈上以產生磁通量變化，進而發電。實驗結果表明在負載為100 MΩ時，TENG的瞬時最大輸出功率為0.08 mW，在1 kΩ的負荷下，EMG的瞬時最大輸出功率為14.9 mW。混合式納米發電機可同時點亮60個LEDs燈。在將能量存儲在電容器中之后，輸出直流電(DC)信號可以為溫度傳感器提供連續的能量。更重要的是納米發電機可以為無線聲學傳感系統供電。研究成果以題為“Two-dimensional triboelectric-electromagnetic hybrid nanogenerator for wave energy harvesting”發布在國際著名期刊Nano Energy上。

【圖文解析】

圖一、設計的摩擦電磁混合納米發電機的示意圖
（a）混合納米發電機的結構；

（b）鋁膜涂層中空丙烯酸圓筒；

（c）NdFeB磁球；

（d）銅線圈圖；

（e）電極剖面圖；

（f）線圈分布的示意圖；

（g）具有金字塔微結構的硅樹脂表面的示意圖；

（h）具有金字塔結構的硅氧烷薄膜的SEM圖像；

（i）摩擦電磁混合納米發電機的圖片。

圖二、組裝的TENG的工作機制

圖三、組裝的EMG的工作機制
（a）三維有限元模型；

（b）線圈的布局和磁性球的運動路徑(點A到點C是路徑1; 點D到點H是路徑2)；

（c）當磁性球分別沿路徑1和路徑2滾動時，通過線圈1的磁通量；

（d-f）磁性球分別位于A點、B點和C點的磁通量密度；

（g-i）磁性球分別位于E點、F點和G點的磁通量密度。

圖四、TENG和EMG的輸電性能
（a）TENG的短路電流；

（b）TENG的開路電壓；

（c）EMG的短路電流；

（d）EMG的開路電壓。

圖五、TENG和EMG的電性能測量結果和線性電動機用于控制裝置的運動
（a）不同頻率下TENG的短路電流；

（b）不同頻率下TENG的開路電壓；

（c）EMG在不同頻率下的短路電流；

（d）EMG在不同頻率下的開路電壓；

（e）TENG的輸出電壓和輸出功率對外部負載電阻的依賴性；

（f）EMG的輸出電壓和輸出功率對外部負載電阻的依賴性。

圖六、納米發電機不同傾斜角度對TNEG和EMG進行機械分析
（a）不同傾斜角度下位移和時間的模擬圖；

（b）由旋轉系統以不同傾斜角度TNEG產生的輸出電壓；

（c）由旋轉系統以不同傾斜角度EMG產生的輸出電壓；

（d）TENG的傾斜角為10度的短路電壓脈沖。

圖七、EMG、TENG單個和組合的充電性能測試和組合的應用測試
（a）整流和充電電路圖；

（b-d）頻率為1.5 Hz、1.8 Hz和2 Hz的10 μF電容器的充電曲線；

（e）由混合式納米發電機在水波振動條件下驅動的溫度計；

（f）在整流后由混合式納米發電機驅動的60個發光LEDs的照片。

圖八、摩擦電磁混合納米發電機在不同波頻率和振幅下的輸出性能
（a） TENG的短路電流和開路電壓；

（b） 不同水波頻率下的EMG；

（c） TENG的短路電流和開路電壓；

（d） 不同水波振幅下的EMG。

圖九、研究摩擦電磁混合納米發電機的實際應用
（a）自供電無線聲學傳感系統的電路原理圖；

（b）由摩擦電磁混合納米發電機實現的自供電無線聲學傳感系統；

（c）由水泵驅動的自供電無線聲學傳感系統；

（d）在監控界面中接收聲音信號數據；

（e）在監控界面中接收到聲音信號曲線；

（f）聲信號的頻域分析；

（g）MEMS水聽器的放大視圖；

（h）摩擦電磁混合納米發電機；

（i）集成系統。

【小結】

綜述所述，展示了用于水波能量收集和自供電無線水聲傳感系統應用的二維摩擦電磁混合納米發電機。該裝置為封閉的盒狀結構，尺寸為10×8.8×4.3 cm³，核心是TENG和EMG的集成。其中，EMG適用于收集高頻機械能但不太適合低頻，TENG適用于收集低頻機械能，所以將TENG和EMG結合的該裝置可以有效地從高頻和低頻水波中獲得更多能量。此外，基于二維滾動結構的裝置可以從X或Y方向同時收集水波能量，故該裝置也可以很好地適應水波的隨機性，進而充分利用波浪能。通過直線電機系統、波泵測量輸出性能和舵機系統研究傾角的影響，發現混合式納米發電機可以驅動60個LEDs并連續給電容器充電。同時，混合TENG和EMG納米發電機也被證明可用作二維角度傳感器。本文設計的新結構對于收集水波能量具有重要意義，且混合式納米發電機在自供電無線聲學傳感系統中具有潛在的應用。

文獻鏈接：Two-dimensional triboelectric-electromagnetic hybrid nanogenerator for wave energy harvesting（Nano Energy, 2019, DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.01.033）

本文由電子組小胖紙編譯，材料人編輯整理。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu.