Adv. Energy Mater.：王中林-利用鴨型摩擦納米發電機收集水波能為無線傳感器供電

【引言】

目前，無線傳感器網絡（WSN）廣泛地應用于工業自動化、建筑結構、可植入傳感器、人體健康和環境監測中。其中，為廣泛分布的電子器件提供能量是亟待解決的問題。傳統的電池供電在實際應用中存在諸多限制，例如，使用壽命較低、更換昂貴、體積過大以及環境問題等。因此，收集環境中的能量為WSN供能是一種有效的替代方案。在眾多的環境能量中，動能是其中種類最多、分布最為廣泛的，所以，發展高效、穩定的動能收集裝置就是其中非常引人入勝的研究方向。傳統的動能到電能的能量轉換器件通常使用壓電、電磁學、靜電轉換等原理，并已得到大規模應用。近年來，摩擦納米發電機（TENGs）已經成為了一種動能-電能轉換的有效方案。摩擦納米發電機主要使用接觸帶電和靜電感應的原理進行發電。研究結果表明摩擦納米發電機可以在多變和嚴酷的環境中進行高效的能量轉換，此外，其造價低、重量輕，也為微觀和大規模的應用提供了可能。水波能作為一種分布最為廣泛而又最被忽略的能量還未進行深入的研究，因此，發展一種穩定、高效的將水波能轉換為電能的器件并將其作為無線傳感器的供能裝置是極有意義的。

【成果簡介】

近日，來自佐治亞理工大學和中科院北京納米能源與系統研究所的王中林院士（通訊作者）等人報道了一種利用摩擦納米發電機對水波能進行收集，并將其用于無線傳感器供電的器件。該成果以“Self-Powered Wireless Sensor Node Enabled by a Duck-Shaped Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Water Wave Energy”為題發表在了2016年12月8日的Advanced Energy Materials上。

實驗中制作了一種鴨型的全封閉摩擦納米發電機，這種發電機可以對隨機和低頻的水波能進行收集。納米發電機在水波作用下通過翻滾和俯仰操縱機構實現水波能向電能的轉化。將三組納米發電機進行連接后，器件的峰值瞬時電流可以達到65.5μA，瞬時輸出功率密度可達1.366Wm^-2，此外，文中還對摩擦納米發電機的動力學特性、機械效率、器件穩定性等進行了研究，并探討了其作為商用無線溫度傳感器節點供能裝置的可行性。

【圖文導讀】

圖1 摩擦納米發電機的結構、不同狀態下的開路電壓及其電勢分布

（a）基于翻滾接觸的獨立鴨型能量收集器的結構示意圖

（b）鴨型能量收集器的光學照片

（c）鴨型能量收集器在不同狀態下的工作機理

（d）鴨型能量收集器在狀態Ⅰ（α=0）和狀態Ⅱ（α=18）之間時開路電壓（Voc）的變化

（e-g）利用COMSOL得到的不同狀態下器件的電勢分布

圖2 多層納米摩擦發電機的結構示意圖及其電學性質測量

（a）多層鴨型器件的結構示意圖

（b）器件在水波發生器下進行工作的光學照片

（c）單層及多層器件的開路電壓（Voc）

（d）單層及多層器件的短路電流（Isc）

（e）單層及多層器件的轉移電荷

（f）單層及多層器件的累計感生電荷

圖3 不同水波頻率和負載電阻下器件的電學性質及V型器件的模擬圖

（a）工作頻率為0.25-5Hz下摩擦納米發電機的開路電壓

（b）工作頻率為0.25-5Hz下摩擦納米發電機的短路電流

（c）工作頻率為2.5Hz不同負載電阻下發電機各層的功率密度

（d）一個發電機單元在不同負載電阻下的功率密度

（e）不同負載電阻下多層單元的輸出功率

（f）基于WEPTOS WEC模型下的V型器件網絡

圖4 摩擦納米發電機工作狀態的理論分析

（a）水波與器件作用時的流體-固體模擬圖

（b）在不同的無量綱頻率f⁰下器件的實驗效率和模擬效率的對比

（c）水波流速-器件振幅圖

（d）不同波長和波高下器件的振幅

（e）最佳頻率（2.63Hz）下器件的震蕩時間

（f）最佳頻率下器件的力矩系數（C_m）變化

（g）最佳頻率下液體流速場分布

圖5 摩擦納米發電機的供能裝置電路圖及其應用

（a）利用摩擦納米發電機為無線溫度傳感器供電的電路圖

（b）利用摩擦納米發電機驅動50顆LED燈

（c）三個摩擦納米發電機單元結合時的充放電曲線及RF溫度傳感器的工作位置

（d）將RF傳感單元、電容器和整流橋連接在面包板上的照片

（e）溫度傳感器節點將信號傳輸到電腦屏幕上，小圖為放大的溫度數值

【小結】

在能源危機日益嚴重的今天，尋找綠色的可替代能源就成為了當務之急，而摩擦納米發電機就是其中很有發展前景的選擇。它能將分布廣泛的藍色能源，例如海洋、湖泊和河流的水能轉化為電能，具有環境友好、可持續循環的優點，此外，本文中的摩擦納米發電機還具備制作簡便、造價低、重量輕和極其穩定的優勢，這也為摩擦納米發電機的大規模應用提供了基礎。相信隨著摩擦納米發電機的深入研究，其終將成為未來綠色能源的重要組成部分。

文獻鏈接：Self-Powered Wireless Sensor Node Enabled by a Duck-Shaped Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Water Wave Energy（Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201601705）

本文由材料人電子電工學術組大城小愛【袁煜昆】供稿，材料牛整理編輯。

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