王中林院士、程廷海研究员《AFM》：交变磁场增强型摩擦纳米发电机实现低速风能采集！

环境污染和能源危机激发了人类对可持续能源的渴望。其中，风力发电因其储量大、无污染而得到广泛研究。当前的风力发电依赖于电磁发电技术，需要高风速（>5 m/s）才能发电，而高风速只在少数地区或高海拔地区普遍存在，许多低海拔地区的低速风能仍然没有得到充分利用。因此，需要开发新的能量采集技术来有效利用这种低速风能。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、程廷海研究员等人提出了一种用于低速风能采集的交变磁场增强型摩擦纳米发电机（AMF-TENG）。AMF-TENG的最小切入速度为1m/s，这大大扩展了其风能采集范围。当风速为1-5 m/s时，其开路电压为20.9-179.3 V，峰值功率可达0.68 mW。在100000次周期的耐久性测试中，开路电压从188.4V下降到174.2V，仍保持在初始值的92.5%。此外，AMF-TENG可以从自然环境中收集低速流动能量，为智能农业中的温度和湿度传感器以及无线光强传感器供电。这项研究为分布式应用中的低速风能采集提供了一种有前途的方法。该研究以题为“Alternating Magnetic Field-Enhanced Triboelectric Nanogenerator for Low-Speed Flow Energy Harvesting”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

【AMF-TENG的结构设计】

作者提出了一种基于交变磁场的策略，用于从低速流动的风中收集能量。最上面是一个装有磁铁的转子，通过顶部的轴连接到各种能量捕获装置。上盖和振动器构成一个接触分离的发电单元（TENG）。上电极固定在上盖下，下电极固定在振动器上，四个线圈固定在下板下。下电极、下板和线圈共同构成由四个弹簧支撑的振动器，保证在垂直方向上移动。基于电磁感应的原理，线圈在交变磁场中产生感应电流。根据电流的磁效应，通电线圈产生的磁场与交变磁场相互作用，产生周期性的吸引力和排斥力，从而驱动发电单元。由于低速流体不直接作用于发电单元，能量收集结构可以在低流速下启动。因此，该装置的切入速度被有效降低，实现了一种交变磁场增强型的TENG（AMF-TENG），可用于在低流速下收集流体能量。

图1 AMF-TENG的结构

图2 AMF-TENG的工作原理

【AMF-TENG的输出性能】

AMF-TENG是由一个伺服电机驱动的，作者用它实现了1 m/s的切入风速，大大扩展了低速机械中旋转TENG的有效收集范围。在1-5 m/s的风速下，VOC从20.9 V增加到179.3 V，ISC从0.9增加到11.3 μA，QSC从8.8增加到104.1 nC。这是因为当压力增加时，两个电极之间的接触面积增加，所以VOC和ISC也趋于增加。TENG在户外环境中经常面临恶劣的工作条件，因此作者研究了相对湿度对AMF-TENG性能的影响。结果表明，当相对湿度从30%增加到90%时，AMF-TENG的VOC、ISC和QSC分别保持在92.6%、92.5%和88.6%。因此，AMF-TENG可以适应户外恶劣的工作环境，这归功于其良好密封性。此外，AMF-TENG在300转速下进行100000次循环，其VOC仅从188.2下降到173.7 V，性能保持在92.5%，展现出了良好的稳定性。

图3 AMF-TENG的输出性能

【AMF-TENG的应用】

当风速为5 m/s时，AMF-TENG在连接10 MΩ的负载后可得到0.68 mW的最大输出。因此，AMF-TENG可以为不同容量的电容器充电。当风速为1 m/s时，AMF-TENG可在316 s内将330 μF的电容器充电到1.5 V。然后，作者将AMF-TENG放置在室外环境中，使其在自然风的驱动下给一个220 μF的电容器充电，大约7分钟后电容器的电压上升到1.7 V，并成功地为一个商业温度和湿度传感器供电。此外，作者展示了一个基于AMF-TENG建立的无线光强演示系统。在该系统中，AMF-TENG用于采集风能，无线光强传感器用于测试环境光强并发送信息。结果表明，AMF-TENG在5 m/s的风速下可将一个3300 μF的商用电容充电到3.7 V，然后光强传感器开始工作，并通过电脑成功接收和显示当前环境的光强信息。该系统证明了AMF-TENG为物联网节点供电的可能性。

图4 AMF-TENG在智能农业中自供电传感的应用

结语：作者提出了一种AMF-TENG，用于高效采集低速风能和自供电传感。由于线圈中的电流随着转速的降低而减少，AMF-TENG在低速旋转时受到的阻力也会减少，因此AMF-TENG能够实现采集低至1 m/s的风能。在连续运行100000次后，AMF-TENG的电压仍能保持在约92.5%。此外，作者基于AMF-TENG设计了智能农业中的自供电传感应用，为农业温湿度传感器和无线光强传感器供电。这项研究为低空、低速风能的采集提供了一种新的策略。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202304839

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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