蘭州化物所&中國海洋大學&上交大 Nano Energy：WS-TENG用于風沙能量收集和自供電監測傳感器

【背景介紹】

荒漠化地區光照條件好、土地開闊，具備太陽能光伏發電及風力發電的有利條件，然而，荒漠化地區強風導致地表沙塵活動頻繁，如沙塵暴等易導致能源收集設備損壞從而影響發電輸出，而這些風沙流能量通常被認為是有害能量被忽視。同時，實時監測風沙運動對沙漠化的跟蹤和防治至關重要，但用于監測風沙流的傳統傳感器大多成本較高，且需要可持續電源保障其在惡劣沙塵環境中有效運行，迫切需要一個能自供電的風沙輸沙率監測傳感器。摩擦電納米發電機（TENG）是一種基于摩擦起電與靜電感應耦合的能量收集器件，近年來在收集機械能、聲能、海洋能等領域引起了廣泛關注。鑒于風沙流也是一種氣-固兩相流，理論上可以通過設計TENG來實現對荒漠化地區風沙能的收集和利用，但是，如何設計一種有效的TENG收集風沙能量還面臨挑戰。

【成果簡介】

近日，中科院蘭州化學物理研究所王道愛研究員、中國海洋大學劉盈副教授和上海交通大學張執南副教授等人基于氣-固兩相流（風沙流）與聚四氟乙烯（PTFE）薄膜之間的摩擦起電特性設計了一種新型風沙流驅動TENG（WS-TENG）。這種WS-TENG結構十分簡單，采用氣流挾沙法來模擬風沙流，以商品化PTFE薄膜作為摩擦層，相同尺寸的銅膠帶粘貼在薄膜背面作為背部電極從而組成風沙流驅動的TENG。同時，作者制備了帶有尖端電極的直流電WS-TENG（DCWS-TENG），以空氣擊穿放電的方法收集連續的風沙流的能量，無需額外的整流器設備直接為電容器充電以及驅動LED照明組件。此外，WS-TENG可用作自供電的主動輸沙速率傳感器，以在嚴酷的沙塵暴天氣條件下執行簡單的沙濃度監測。該工作為在荒漠化地區收集和利用風沙能提供了一種簡單而可實現的方法，并且開發的傳感器樣機為低成本的自供電風沙濃度傳感器提供了一個新的選擇。研究成果以題為“Gas-Solid Two-Phase Flow-driven Triboelectric Nanogenerator for Wind-sand Energy Harvesting and Self-powered Monitoring Sensor”發布在國際著名期刊Nano Energy上。

【圖文解讀】

圖一、風沙流摩擦起電測試系統
（a）實驗設備示意圖；

（b）WS-TENG結構；

（c）沙粒的SEM顯微照片；

（d）沙粒粒度分布；

（e）PTFE表面的SEM圖像。

圖二、WS-TENG用于收集脈沖風沙流能量的工作原理
（a）沙子和各種摩擦電材料之間在擠壓和釋放運動模式下的I_sc；

（b）沙子和玻璃之間的I_sc；

（c）WS-TENG在第一次與風沙流接觸分離時的工作機理圖；

（d）有限元模擬結果顯示了該過程中WS-TENG的電勢分布。

圖三、摩擦條件對WS-TENG電性能的影響
（a-c）在流速為2 m/s、進沙率為2 g/min時不同摩擦角度（15^o、30^o、45^o、60^o、75^o和90^o）下，WS-TENG的I_sc、V_o和Q_c；

（d-f）在不同的進沙率（2、5、12、20和35 g/min）下，WS-TENG的I_sc、V_o和Q_c；

（g）具有不同風沙流速時WS-TENG的I_sc；

（h）I_sc與流速的關系圖。

圖四、WS-TENG為電容充電
（a）短路電流I_sc；

（b）輸出電壓V_o；

（c）積分轉移電荷Q_c；

（d）外部不同負載電阻上的電流和瞬時功率；

（e）WS-TENG超過5000次循環的穩定性測試；

（f）不同電容器的充電特性曲線；

（g）WS-TENG器件的光學圖像；

（h）由WS-TENG供電的五個綠色LED的照片；

（i）基于WS-TENG的自供電系統直接為電容器充電的電路圖。

圖五、DCWS-TENG用于收集連續風沙流的能量
（a）DCWS-TENG結構和靜電擊穿現象的示意圖；

（b-d）當流速為10 m/s、進沙率為2 g/min時，DCWS-TENG的I_sc、V_o和Q_c；

（e-g）DCWS-TENG用作電源，給電容器充電、充電電路圖和直接點亮六個商用LED。

圖六、基于預充電風沙流驅動的PWS-TENG
（a）預充電風沙流驅動的PWS-TENG的示意圖；

（b-c）具有不同管長的WS-TENG和PWS-TENG的I_sc和V_o對比；

（d）電流增大倍數與管長的關系圖；

（e）PWS-TENG的工作機制。

圖七、PWS-TENG傳感器原型機的傳感性能
（a）PWS-TENG傳感器原型機結構圖；

（b）PWS-TENG傳感器原型機圖像；

（c）在恒定流速為10 m/s時，具有不同風沙輸運率的風沙流的循環輸出電流信號；

（d）在不同流速條件下，I_sc與風沙輸運率之間的關系。

【小結】

綜上所述，作者展示了一種新型的單電極TENG，該TENG以商業PTFE膜為基礎，可通過在沙塵暴等嚴酷環境中將沙粒與PTFE膜摩擦而有效收集風沙流能量。本文中所設計的WS-TENG可以產生2 μA的短路電流、55 V的輸出電壓和60 μW的最大瞬時功率；DCWS-TENG在收集風沙能后可直接對電容器充電或驅動LED燈，而無需整流。根據電流輸出和風沙輸運率之間的關系，PWS-TENG可以簡單用作自供電風沙輸運率的監測器。該研究為荒漠化地區的能源短缺和環境監測提供了一種新的解決方案。

文獻鏈接：Gas-Solid Two-Phase Flow-driven Triboelectric Nanogenerator for Wind-sand Energy Harvesting and Self-powered Monitoring Sensor. Nano Energy, 2021, DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106023.

本文由CQR編譯。

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