中北大学 薛晨阳&丑修建 Nano Energy: 用于波浪能量收集的二维摩擦电磁混合纳米发电机

【文章亮点】

1、结合摩擦纳米发电机(TENG)和电磁发电机(EMG)，混合式纳米发电机可以在更宽的频率下从水中获取更多能量；

2、提出了一种新的滚动结构摩擦电磁混合纳米发电机，用于获取二维层面的随机水波能量；

3、混合式纳米发电机在自供电无线声学传感系统中具有潜在的应用。

【背景介绍】

        随着能源危机的加剧和自然环境的恶化，清洁和可再生能源的开发和利用受到全世界的重点关注。地球拥有丰富的水资源，水波能量广泛分布在地球上，几乎不依赖于气候、温度或季节。因此，大规模的、高效的收获海浪能源一直是研究的热点，对取代不可再生的化石燃料具有重要意义。

        目前，基于不同的机制将波能转换成电能的方法主要是电磁、摩擦电和压电效应。基于电磁效应的传统水波能转换方法，虽然具有转换效率高、耐用性好等优点，但是它不太适合收集低频机械能。水波不仅包含高频机械能而且还包含低频机械能，并且水波的典型频率是低于2 Hz。近些年来，基于摩擦起电和静电感应原理的摩擦纳米发电机(TENG)已被证实是一种有效的、可行的低频机械能收获方法。作为有希望大规模的收获水波能量的潜在方法，具有制造容易、成本低的优点。因此，将摩擦纳米发电机(TENG)和电磁发电机(EMG)集成在一起是一种很好的方法，以有效地从高频和低频水波中获得更多能量。此外，海浪最显着的特征是其随机性，从多个方向收集能量可以充分利用波浪能。但是许多报道的水波能量采集器到目前为止只能沿单一方向收集能量，这导致实际应用中的能量浪费。

【成果简介】

        最近，中北大学的薛晨阳教授和丑修建教授（共同通讯作者）等人共同报道了一种用于收集水波能量的由摩擦纳米发电机 (TENG)和电磁发电机 (EMG)组成的盒状摩擦电磁混合纳米发电机。在TENG的情况下，由海浪形成铝膜涂覆的聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)圆柱体和硅树脂膜覆盖的交叉银(Ag)电极之间的接触和分离。在EMG的情况下，旋转的磁性球被放置在四个线圈上以产生磁通量变化，进而发电。实验结果表明在负载为100 MΩ时，TENG的瞬时最大输出功率为0.08 mW，在1 kΩ的负荷下，EMG的瞬时最大输出功率为14.9 mW。混合式纳米发电机可同时点亮60个LEDs灯。在将能量存储在电容器中之后，输出直流电(DC)信号可以为温度传感器提供连续的能量。更重要的是纳米发电机可以为无线声学传感系统供电。研究成果以题为“Two-dimensional triboelectric-electromagnetic hybrid nanogenerator for wave energy harvesting”发布在国际著名期刊Nano Energy上。

【图文解析】

图一、设计的摩擦电磁混合纳米发电机的示意图
（a）混合纳米发电机的结构；

（b）铝膜涂层中空丙烯酸圆筒；

（c）NdFeB磁球；

（d）铜线圈图；

（e）电极剖面图；

（f）线圈分布的示意图；

（g）具有金字塔微结构的硅树脂表面的示意图；

（h）具有金字塔结构的硅氧烷薄膜的SEM图像；

（i）摩擦电磁混合纳米发电机的图片。

图二、组装的TENG的工作机制

图三、组装的EMG的工作机制
（a）三维有限元模型；

（b）线圈的布局和磁性球的运动路径(点A到点C是路径1; 点D到点H是路径2)；

（c）当磁性球分别沿路径1和路径2滚动时，通过线圈1的磁通量；

（d-f）磁性球分别位于A点、B点和C点的磁通量密度；

（g-i）磁性球分别位于E点、F点和G点的磁通量密度。

图四、TENG和EMG的输电性能
（a）TENG的短路电流；

（b）TENG的开路电压；

（c）EMG的短路电流；

（d）EMG的开路电压。

图五、TENG和EMG的电性能测量结果和线性电动机用于控制装置的运动
（a）不同频率下TENG的短路电流；

（b）不同频率下TENG的开路电压；

（c）EMG在不同频率下的短路电流；

（d）EMG在不同频率下的开路电压；

（e）TENG的输出电压和输出功率对外部负载电阻的依赖性；

（f）EMG的输出电压和输出功率对外部负载电阻的依赖性。

图六、纳米发电机不同倾斜角度对TNEG和EMG进行机械分析
（a）不同倾斜角度下位移和时间的模拟图；

（b）由旋转系统以不同倾斜角度TNEG产生的输出电压；

（c）由旋转系统以不同倾斜角度EMG产生的输出电压；

（d）TENG的倾斜角为10度的短路电压脉冲。

图七、EMG、TENG单个和组合的充电性能测试和组合的应用测试
（a）整流和充电电路图；

（b-d）频率为1.5 Hz、1.8 Hz和2 Hz的10 μF电容器的充电曲线；

（e）由混合式纳米发电机在水波振动条件下驱动的温度计；

（f）在整流后由混合式纳米发电机驱动的60个发光LEDs的照片。

图八、摩擦电磁混合纳米发电机在不同波频率和振幅下的输出性能
（a） TENG的短路电流和开路电压；

（b） 不同水波频率下的EMG；

（c） TENG的短路电流和开路电压；

（d） 不同水波振幅下的EMG。

图九、研究摩擦电磁混合纳米发电机的实际应用
（a）自供电无线声学传感系统的电路原理图；

（b）由摩擦电磁混合纳米发电机实现的自供电无线声学传感系统；

（c）由水泵驱动的自供电无线声学传感系统；

（d）在监控界面中接收声音信号数据；

（e）在监控界面中接收到声音信号曲线；

（f）声信号的频域分析；

（g）MEMS水听器的放大视图；

（h）摩擦电磁混合纳米发电机；

（i）集成系统。

【小结】

综述所述，展示了用于水波能量收集和自供电无线水声传感系统应用的二维摩擦电磁混合纳米发电机。该装置为封闭的盒状结构，尺寸为10×8.8×4.3 cm³，核心是TENG和EMG的集成。其中，EMG适用于收集高频机械能但不太适合低频，TENG适用于收集低频机械能，所以将TENG和EMG结合的该装置可以有效地从高频和低频水波中获得更多能量。此外，基于二维滚动结构的装置可以从X或Y方向同时收集水波能量，故该装置也可以很好地适应水波的随机性，进而充分利用波浪能。通过直线电机系统、波泵测量输出性能和舵机系统研究倾角的影响，发现混合式纳米发电机可以驱动60个LEDs并连续给电容器充电。同时，混合TENG和EMG纳米发电机也被证明可用作二维角度传感器。本文设计的新结构对于收集水波能量具有重要意义，且混合式纳米发电机在自供电无线声学传感系统中具有潜在的应用。

文献链接：Two-dimensional triboelectric-electromagnetic hybrid nanogenerator for wave energy harvesting（Nano Energy, 2019, DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.01.033）

本文由电子组小胖纸编译，材料人编辑整理。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu.