大連海事大學徐敏義和中南大學王漢封Nano Energy：基于摩擦納米發電機的多功能風屏障：風能采集、風速傳感和高效擋風

【引言】

為了防止高速火車和車輛的脫軌或傾覆，通常在道路的一側或兩側安裝風屏障，以構建出一個風力相對較低的車輛運行環境并，提高車輛在強側風條件下的穩定性。顯而易見的，在安裝風屏障的區域通常蘊含著大量的風能資源。雖然常規的風力發電機可以有效的收集風能，但是由于其結構特性的限制而不能用作風屏障。此外，野生動物與風力發電機的碰撞會導致其大量的死亡，同時設備的維護也是一個棘手的問題。因此，設計一種可以將風能轉換成電能，為附近的無線傳感器網絡供電并有效地抵御強風的風屏障是十分有必要的。近年來，科研人員研制出了基于摩擦起電和靜電感應原理響應外部機械刺激而產生電信號的摩擦電納米發電機（TENG），并研發了一類基于TENG原理的將流致振動能量轉化為電能的風能收集裝置。研究表明，集成大量TENG單元以增加能量輸出已經成為TENG在實際應用中的一個發展趨勢，但其中的一些問題仍需要系統地進行研究。此外，TENG可以在無需外接電源的條件下，根據自身產生的電信號作為風速和風向的主動傳感器。大量研究人員的研究成果表明顫振薄膜式TENG已經展現出了包括結構簡單，成本低廉，堅固耐用，能量轉換效率高和擴展性好等很多優點。因此，TENG與傳統風屏障的結合具有巨大的應用潛力。

【成果簡介】

大連海事大學徐敏義教授團隊和中南大學王漢封教授提出并系統地研究了由大量TENG單元構成的多功能TENG風屏障。TENG風屏障不但可以從自然風中收集能量，還可以收集過往車輛產生的滑流的能量。需要著重提及的是，高速運行車輛產生的滑流通常被認為對周圍的人和建筑物是具有極大危害的。由于其方向隨機和不穩定的特點，無法通過傳統的風能收集方法進行收集。在這項工作中，TENG風屏障可以對滑流能量進行有效的收集。而且，研究人員還發現TENG風屏障擋風效率要比傳統的多孔式風屏障高出35％，這一特性大大提高了運行車輛的安全性。另外，科研人員發現在TENG單元中FEP膜的顫動頻率與風速成線性關系，利用這一特點可以將TENG單元用作風速計來監測風屏障的工況。綜上所述，這項工作證明了TENG風屏障在擋風，能量收集和自供能風速傳感方面展現出了明顯的優勢，并為TENG在其他領域的進一步應用提供了理論基礎。

【圖文導讀】

圖1. TENG風屏障的應用場景和工作原理

（a）TENG風屏障的應用場景，TENG單元的照片以及TENG單元的示意圖

（b）TENG單元中設置的坐標系

（c）TENG單元的工作原理

圖2. 風洞中TENG單元的結構優化實驗

（a）實驗裝置示意圖

（b）不同膜垂度TENG單元的臨界風速

（c-e）輸出電流與垂度，空氣間隙和膜寬度的關系

圖3. TENG單元的發電性能與風速，湍流度和風向的關系

（a-c）開路電壓，短路電流和膜顫振頻率與風速的關系

（d-f）開路電壓，短路電流和膜顫振頻率與湍流度的關系

（g-i）TENG單元的開路電壓，短路電流和轉移電荷量與風向的關系

圖4. TENG風屏障的發電性能

（a）TENG單元的輸出電流

（b）由66個TENG單元組成的TENG風屏障的輸出電流

（c）輸出電流隨TENG單元個數變化曲線

（d）TENG單元外加電阻的輸出電流與功率的變化曲線

（e）TENG風屏障外加電阻的電流與功率的變化曲線

（f）功率隨TENG單元個數變化曲線

圖5. TENG風屏障和傳統風屏障的擋風性能對比

（a,b）孔隙率為45.4％的傳統風屏障和TENG風屏障的煙線可視化實驗

（c,d）傳統風屏障和TENG風屏障后部的速度云圖對比

（e,f）傳統風屏障和TENG風屏障后部的湍流度云圖對比

圖6. TENG風屏障作為電源和傳感器的演示

（a-c）TENG風屏障點亮家用照明LED的照片，驅動“CAUTION”形狀LED燈和溫濕度傳感器的照片

（d）TENG傳感器和商用傳感器進行實時風速測量的照片

（e）TENG傳感器與商用風速傳感器的比較。

【總結】

傳統風屏障和新型風能采集裝置的集成非常適合將風能轉換為電能，同時又能保證車輛免受強風侵襲。在這項工作中，研究人員提出并研究了由大量摩擦電納米發電機（TENG）單元集成的多功能風屏障。 TENG單元由兩個銅電極和一片氟化乙烯丙烯（FEP）膜組成，膜兩端固定在3D打印的通道上。對TENG單元的結構進行優化后，用66個并聯的TENG單元構成了TENG風屏障。研究發現風屏障在10 m / s的風速下可以產生高達440μA和26 mW的輸出電流和功率。同時， TENG風屏障可以收集過往車輛引起的滑流的能量。更重要的是， TENG風屏障的擋風效率比傳統的多孔式風屏障高了35％，這大大提高了車輛的安全性。此外，風屏障的每個TENG單元都可以用作自供能風速計，以監測風屏障的工況。因此，本研究中的新型風屏障具有巨大的潛力，可應用于風能的采集，自供能風速傳感和更加高效的擋風。該成果發表在國際著名期刊Nano Energy上，文獻鏈接：Multi-functional wind barrier based on triboelectric nanogenerator for power generation, self-powered wind speed sensing and highly efficient windshield. Nano Energy, 2020, DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104736. 大連海事大學輪機工程學院博士研究生王巖、碩士研究生王建業、助理教授肖秀為論文共同第一作者，大連海事大學輪機工程學院徐敏義教授與中南大學高速鐵路建造技術國家工程實驗室王漢封教授為共同通訊作者，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博士研究生Phan Trung Kien、碩士研究生王思遠、董家樂參與了本研究工作。該研究獲得國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費等項目的資助。

【課題組簡介】

大連海事大學輪機工程學院徐敏義教授課題組致力于納米發電機在船舶與海洋工程領域的基礎與應用研究。近期，課題組成員基于摩擦納米發電機設計了多種形式的能量收集裝置，實現了波浪能^[1]、振動能^[2]、噪聲能^[3]和低品位水能^[4]的高效收集。此外，還研發了自驅動式波浪傳感器^[5]，船舶水位傳感器^[6]和流量傳感器^[7]。

[1] Xu, M.; Zhao, T.; Wang, C.; Zhang, S. L.; Li, Z.; Pan, X.; Wang, Z. L., High Power Density Tower-like Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Arbitrary Directional Water Wave Energy. ACS nano 2019, 13 (2), 1932-1939.

[2] Xiao, X.; Zhang, X.; Wang, S.; Ouyang, H.; Chen, P.; Song, L.; Yuan, H.; Ji, Y.; Wang, P.; Li, Z.; Xu,M.; Wang, Z. L., Honeycomb Structure Inspired Triboelectric Nanogenerator for Highly Effective Vibration Energy Harvesting and Self‐Powered Engine Condition Monitoring. Adv. Energy Mater. 2019, 9 (40), 1902460.

[3] Zhao,H.; Xiao, X.; Xu, P.; Zhao, T.; Song, L.; Pan, X.; Mi, J.; Xu, M.; Wang, Z. L., Dual‐Tube Helmholtz Resonator‐Based Triboelectric Nanogenerator for Highly Efficient Harvesting of Acoustic Energy. Adv. Energy Mater. 2019, 9 (46), 1902824.

[4] Jiang, D.;? Su, Y.;? Wang, K.;? Wang, Y.;? Xu, M.;? Dong, M.; Chen, G., A triboelectric and pyroelectric hybrid energy harvester for recovering energy from low-grade waste fluids. Nano Energy 2020, 70, 104459.

[5] Xu, M.; Wang, S.; Zhang, S. L.; Ding, W.; Kien, P. T.; Wang, C.; Li, Z.; Pan, X.; Wang, Z. L., A highly-sensitive wave sensor based on liquid-solid interfacing triboelectric nanogenerator for smart marine equipment. Nano Energy 2019, Volume 57, 574-580.

[6] Zhang, X.; Yu, M.; Ma, Z.; Ouyang, H.; Zou, Y.; Zhang, S. L.; Niu, H.; Pan, X.; Xu, M.; Li, Z.; Wang, Z. L., Self-Powered Distributed Water Level Sensors Based on Liquid–Solid Triboelectric Nanogenerators for Ship Draft Detecting. Adv. Funct. Mater. 2019, 29 (41), 1900327.

[7] Phan, T. K.;? Wang, S.;? Wang, Y.;? Wang, H.;? Xiao, X.;? Pan, X.;? Xu, M.; Mi, J., A Self-Powered and Low Pressure Loss Gas Flowmeter Based on Fluid-Elastic Flutter Driven Triboelectric Nanogenerator. Sensors 2020, 20 (3), 729.

本文由tt供稿。?

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：cailiaorenvip。?