大連海事大學&佐治亞理工學院Adv. Energy. Mater.: 基于雙管亥姆霍茲共振腔摩擦納米發電機的聲能高效收集

【引言】

聲波是我們周圍能量的一種重要形式，它廣泛存在于環境中。但由于其能量密度低，聲波能量是一種普遍卻被廢棄的能源。因此，對聲波能量進行收集與利用成為科學研究的重要課題。在聲波能量收集領域，研究人員通常使用能源材料和傳統的聲波結構來追求高能量輸出與寬響應頻帶，然而仍然缺乏成熟的理論與有效的技術手段。摩擦電納米發電機（TENG）可以有效地收集環境振動能量并將其轉換為電能，是新能源發展的一個里程碑。通過使用柔性介電材料，TENG對外部擾動非常敏感，這使其在聲波能量收集領域表現出巨大應用潛力。

【成果簡介】

近日，大連海事大學徐敏義教授課題組和佐治亞理工學院王中林院士合作提出了一種新型的基于雙管亥姆霍茲共振腔的摩擦納米發電機（HR-TENG），用于高效地收集聲能。該裝置由改進的亥姆霍茲共振腔，具有均勻分布的聲孔的鋁膜和具有導電油墨印刷電極的FEP膜組成。隨著聲波的傳播，FEP膜隨交變聲壓與鋁膜發生接觸分離運動，導致膜表面電場發生變化，從而產生位移電流。這種方法改變了傳統的聲學結構，并使用了新穎的聲學結構來提高聲能收集的效果。該項研究從理論上、數值上和實驗上分析了HR-TENG的輸出性能。與傳統的基于單管亥姆霍茲共振腔的TENG相比，雙管HR-TENG具有更好的輸出性能，最大輸出電壓提高了83％。該項研究說明了頻率和聲壓等聲學條件的變化對HR-TENG輸出性能的影響機理，闡釋了FEP膜中預緊力對HR-TENG響應特性的影響規律。提出的新型摩擦納米發電機最高可產生1.23 V和1.82 W的輸出性能，比以往文獻報道的最好結果分別提高了60%和20%。研究工作為實現聲波能量高效收集開拓了新方向，亦在物聯網節點能量供給、自驅動聲波傳感等領域具有潛在應用價值。

【圖文導讀】

?圖1. 摩擦納米發電機應用背景、結構與工作原理

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圖2. 不同類型亥姆霍茲共振腔摩擦納米發電機的幾何結構、輸出特性、傳輸損失對比實驗與理論分析

圖3. 聲學條件變化對摩擦納米發電機輸出特性的影響

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圖4. FEP膜張緊力變化對摩擦納米發電機輸出特性的影響

圖5. 基于雙管亥姆霍茲共振腔摩擦納米發電機的聲能高效采集與聲波傳感演示實驗

【總結】

此研究將摩擦電納米發電機理論與聲學傳播機理相結合，解釋了聲學結構，聲波力學條件和薄膜張力對能量收集器的影響，為提高聲波量收集器輸出性能和拓寬響應頻帶提供了理論指導。提出的新型摩擦納米發電機最高可產生1.23 V和1.82 W的輸出性能，比以往文獻報道的最好結果分別提高了60%和20%。研究工作為實現聲波能量高效收集開拓了新方向，亦在物聯網節點能量供給、自驅動聲波傳感等領域具有潛在應用價值。

該成果發表在能源材料領域頂級期刊Advanced Energy Materials (影響因子24.88) 上，題為“Dual-tube Helmholtz resonator-based triboelectric nanogenerator for highly efficient harvesting of acoustic energy” （Advanced Energy Materials 2019， DOI：https://doi.org/10.1002/aenm.201902824）。文章鏈接為：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201902824。大連海事大學輪機工程學院研究生趙洪發、助理教授肖秀為論文共同第一作者，輪機工程學院徐敏義教授與佐治亞理工學院王中林院士為共同通訊作者，廣東海洋大學潘新祥教授，北京大學米建春教授，大連海事大學輪機工程學院副教授宋立國、研究生趙天聰、徐鵬參與了本論文的研究。該研究獲得國家自然科學基金項目、中央高校基本科研業務費、國家重點研發項目等的資助。

本文由大連海事大學徐敏義教授課題組供稿。

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