大连海事大学&佐治亚理工学院Adv. Energy. Mater.: 基于双管亥姆霍兹共振腔摩擦纳米发电机的声能高效收集

【引言】

声波是我们周围能量的一种重要形式，它广泛存在于环境中。但由于其能量密度低，声波能量是一种普遍却被废弃的能源。因此，对声波能量进行收集与利用成为科学研究的重要课题。在声波能量收集领域，研究人员通常使用能源材料和传统的声波结构来追求高能量输出与宽响应频带，然而仍然缺乏成熟的理论与有效的技术手段。摩擦电纳米发电机（TENG）可以有效地收集环境振动能量并将其转换为电能，是新能源发展的一个里程碑。通过使用柔性介电材料，TENG对外部扰动非常敏感，这使其在声波能量收集领域表现出巨大应用潜力。

【成果简介】

近日，大连海事大学徐敏义教授课题组和佐治亚理工学院王中林院士合作提出了一种新型的基于双管亥姆霍兹共振腔的摩擦纳米发电机（HR-TENG），用于高效地收集声能。该装置由改进的亥姆霍兹共振腔，具有均匀分布的声孔的铝膜和具有导电油墨印刷电极的FEP膜组成。随着声波的传播，FEP膜随交变声压与铝膜发生接触分离运动，导致膜表面电场发生变化，从而产生位移电流。这种方法改变了传统的声学结构，并使用了新颖的声学结构来提高声能收集的效果。该项研究从理论上、数值上和实验上分析了HR-TENG的输出性能。与传统的基于单管亥姆霍兹共振腔的TENG相比，双管HR-TENG具有更好的输出性能，最大输出电压提高了83％。该项研究说明了频率和声压等声学条件的变化对HR-TENG输出性能的影响机理，阐释了FEP膜中预紧力对HR-TENG响应特性的影响规律。提出的新型摩擦纳米发电机最高可产生1.23 V和1.82 W的输出性能，比以往文献报道的最好结果分别提高了60%和20%。研究工作为实现声波能量高效收集开拓了新方向，亦在物联网节点能量供给、自驱动声波传感等领域具有潜在应用价值。

【图文导读】

 图1. 摩擦纳米发电机应用背景、结构与工作原理

图2. 不同类型亥姆霍兹共振腔摩擦纳米发电机的几何结构、输出特性、传输损失对比实验与理论分析

图3. 声学条件变化对摩擦纳米发电机输出特性的影响

图4. FEP膜张紧力变化对摩擦纳米发电机输出特性的影响

图5. 基于双管亥姆霍兹共振腔摩擦纳米发电机的声能高效采集与声波传感演示实验

【总结】

此研究将摩擦电纳米发电机理论与声学传播机理相结合，解释了声学结构，声波力学条件和薄膜张力对能量收集器的影响，为提高声波量收集器输出性能和拓宽响应频带提供了理论指导。提出的新型摩擦纳米发电机最高可产生1.23 V和1.82 W的输出性能，比以往文献报道的最好结果分别提高了60%和20%。研究工作为实现声波能量高效收集开拓了新方向，亦在物联网节点能量供给、自驱动声波传感等领域具有潜在应用价值。

该成果发表在能源材料领域顶级期刊Advanced Energy Materials (影响因子24.88) 上，题为“Dual-tube Helmholtz resonator-based triboelectric nanogenerator for highly efficient harvesting of acoustic energy” （Advanced Energy Materials 2019， DOI：https://doi.org/10.1002/aenm.201902824）。文章链接为：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201902824。大连海事大学轮机工程学院研究生赵洪发、助理教授肖秀为论文共同第一作者，轮机工程学院徐敏义教授与佐治亚理工学院王中林院士为共同通讯作者，广东海洋大学潘新祥教授，北京大学米建春教授，大连海事大学轮机工程学院副教授宋立国、研究生赵天聪、徐鹏参与了本论文的研究。该研究获得国家自然科学基金项目、中央高校基本科研业务费、国家重点研发项目等的资助。

本文由大连海事大学徐敏义教授课题组供稿。

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