沈陽建筑大學&北京納米能源與系統研究所Nano Energy：用于連續和規律收集風能的磁開關結構摩擦納米發電機 ?

【引言】

世界經濟的快速發展導致了對化石能源的過度依賴和消耗，從而導致了能源短缺和環境污染。風能作為一種清潔的可再生能源，因其具有分布廣泛、易收集、無污染等特點，從而成為公認的化石燃料替代品。因此，有必要設計出既能提供穩定可靠供應，又價格低廉、結構緊湊的風力發電機。摩擦納米發電機（TENG）基于摩擦起電與靜電感應耦合原理，能夠將機械能轉化為電能輸出。其具有成本低、制作簡單、材料選擇多樣、應用范圍廣等獨特的優點。TENGs能夠收集各種自然能源，如風能、藍色能源、振動能、聲波能、降雨能和生物機械能。為了改善從自然環境中獲取機械能的能力，設計了機械增頻式、間歇能量收集式和機械調控式等多種機械模式的TENGs。其中，機械調控式的TENGs可以將自然界中隨機、無規則的機械能轉化為規則、可控的電能輸出。但是，這些TENGs的輸出是不連續的，無法為電氣設備連續供電。因此，為了更有效地從隨機環境中俘獲能量并進行后續應用，設計能夠進行連續可控輸出的TENG是很有必要的。

【成果簡介】

近日，在沈陽建筑大學和中國科學院北京納米能源與系統研究所的合作下，開發了一種磁開關結構的摩擦納米發電機（MS-TENG），它由傳動齒輪、能量調制模塊和發電單元組成。當風間歇性地吹在風杯上時，MS-TENG能通過能量調制模塊使風能轉化為連續的、有規律的電能。其中，能量調制模塊儲存和釋放的能量不取決于外界輸入的風速，而是依賴于磁鐵的磁力。實驗結果表明，MS-TENG可以作為電源工作，輸出特性為410 V, 18 μA, 155 nC，峰值功率為4.82 mW，足以為500個串聯的LED或溫度計供電。MS-TENG在風能俘獲領域的應用前景十分廣闊。該成果以題為“Magnetic Switch Structured Triboelectric Nanogenerator for Continuous and Regular Harvesting of Wind Energy”發表在了Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖1 MS-TENG的結構示意圖

（a）總體結構示意圖。

（b）左側能量調制模塊。

（c-e）MS-TENG、開關齒輪和開關擺以及發電單元的照片。

圖2 MS-TENG的工作原理示意圖

（a）MS-TENG的不同工作狀態。

（b）發電原理示意圖。

圖3 不同的開關磁鐵直徑下，MS-TENG的輸出性能與轉子質量的關系

（a-c）不同的開關磁鐵直徑下，MS-TENG的輸出性能與轉子質量的關系：（a）直徑為10 mm，（b）直徑為15 mm，（c）直徑為20 mm。

（d-f）不同的開關磁鐵直徑下，不同轉子質量的（d）旋轉周期，（e）輸出功率和（f）輸出能量的對比。

圖4 不同的磁鐵排布方式下MS-TENG的輸出性能與輸入速度的關系

（a-d）不同開關磁鐵分布情況下，MS-TENG的輸出性能與輸入速度的關系：（a）L1R0，（b）L1R1，（c）L2R0和（d）L2R2。

圖5?MS-TENG在不同勵磁輸入下的輸出性能

（a-c）MS-TENG在不同輸入激勵下的輸出性能：（a）恒定輸入，（b）逐步遞增輸入，（c）隨機輸入。

圖6?MS-TENG的性能

（a）給不同的商用電容器充電。

（b）MS-TENG的負載電壓，負載電流和峰值功率。

（c）MS-TENG串聯運行500個LEDs。

（d）MS-TENG用于為溫度計供電的實驗設置。

【小結】

綜上所述，作者們設計了一種磁開關結構的摩擦納米發電機（MS-TENG），在收集風能的同時，能夠產生連續而有規律的輸出。所進行的測試實驗證明，在輸入速度高于臨界速度的情況下，電能輸出是連續且有規律的。當MS-TENG在隨機輸入條件下工作，其輸出電壓為410 V，短路電流為18 μA，轉移電荷為155 nC，峰值功率為4.82 mW。MS-TENG能夠分別為500個串聯的LED和一個溫度計進行供電，這表明了MS-TENG在風能收集領域的應用前景良好。這種將不規則風能轉化為可靠的電能輸出的設計思路，可為未來的風能收集型TENG的設計制造提供有益的指導。

文獻鏈接：Magnetic Switch Structured Triboelectric Nanogenerator for Continuous and Regular Harvesting of Wind Energy（Nano Energy， 2021，DOI:10.1016/j.nanoen.2021.105851）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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。