中科院纳米所王中林院士团队Nano Energy：利用双向齿轮传动收集全冲程能量的摩擦电动纳米发电机

【引言】

随着经济的发展，传统能源的消耗也在增加。寻找清洁、可再生能源受到广泛关注。基于接触带电和静电感应耦合的摩擦电纳米发电机（TENGs）是一种新兴的能量转换技术。TENGs具有结构简单、输出电压高、材料应用广泛、成本低等优点。因此，TENGs广泛应用于能量采集和传感领域，如风能、波浪能采集、机械传感和人类行为监测等。收集机械能的TENGs基本上有四种工作模式：接触分离式、水平滑动式、单电极式、独立层式。基于接触分离和滑动模式设计的TENGs常用于收集振动能和风能。在环境中产生这些能量的运动通常是往复的，，包括向下和向上的运动，机械能在整个行程中始终存在。传统的TENGs可用于收集每一冲程或接触瞬间存在的能量。因此，通过研究整个行程的能量收集，可以提高TENGs的能量俘获能力。

【成果简介】

近日，在中国科学院北京纳米能源与系统研究所、美国佐治亚理工学院王中林院士和长春工业大学程廷海教授团队（共同通讯作者）带领下，提出了一种双向齿轮传动的摩擦纳米发电机（BGT-TENG），用于收集外界激励下整个行程的机械能。它主要由压盘、飞轮、齿轮和壳体组成。在外部激励下，压盘往复运动，通过两个反向安装的齿轮传动系统进行传动，从而转化为飞轮的连续转动。将铜电极均匀地敷设在壳体内壁上。全氟乙烯丙烯共聚物（FEP）薄膜附着在飞轮的外壁上，在旋转状态下薄膜与铜电极相对滑动产生电能。通过优化的参数设置，BGT-TENG的开路电压为450 V，最大短路电流为14μA，输出能量为2.4 mJ。通过与带有整流器的电路串联，BGT-TENG不仅可以点亮375个串联的发光二极管（LED），也可以通过连接商用电容器来驱动商用数字温度计。BGT-TENG能够在提高能量收集能力的同时，收集整个行程的能量，从而减少能量损失。该成果以题为“Triboelectric nanogenerator for entire stroke energy harvesting with bidirectional gear transmission”发表在了Nano Energy上。其中长春工业大学卢晓晖副教授，硕士研究生徐毓鸿、乔广达为共同第一作者。

【图文导读】

图1 双向齿轮传动摩擦电纳米发电机(BGT-TENG)的结构图

双向齿轮传动摩擦电纳米发电机(BGT-TENG): (a)整体结构模型，(b)发电单元与回位弹簧处的细节，(c)BGT-TENG的实物照片，(d)BGT-TENG的构成组件。

图2 BGT-TENG的工作原理示意图

BGT-TENG的工作原理示意图: (a)一次循环运动下的四种不同的运行阶段; (b)发电原理；(c)在三种状态下的电势分布仿真分析。

图3 在不同长度的柔性FEP薄膜的和不同飞轮质量下BGT-TENG输出性能

在不同长度的柔性FEP薄膜和不同飞轮质量下的BGT-TENG的输出性能：薄膜安装角度为30°下的(a, d)开路电压和(b, e)短路电流，以及不同薄膜安装角度下(c)不同薄膜长度和(f)不同飞轮质量对应的BGT-TENG的输出能量对比。

图4 BGT-TENG在四种不同激励条件和激励频率下的性能比较

BGT-TENG在四种不同激励条件和激励频率下的性能比较：在(a)单向下行激励，(b)单向上行激励，(c)双向连续激励，(d)双向等间隔激励条件下输出的短路电流值比较，(e)运行时间比较和(f)输出能量比较。

图5 BGT-TENG的电气特性

BGT-TENG的电学特性：(a)电容器(22μF)在双向等间隔距激励的不同激励频率下的充电曲线，(b)不同负载电阻下的输出电压和电流，(c)不同负载电阻下的瞬时输出功率。

图片显示BGT-TENG为低功率设备供电: (d) 375个串联的的LED灯被点亮，(e)实验装置设置，(f)被成功驱动的商用温度计放大图。

【小结】

综上所述，提出了一种实现全行程能量采集的双向齿轮传动的摩擦电纳米发电机(BGT-TENG)。研究表明，飞轮质量为1243 g的BGT-TENG具有最佳的输出性能，最大峰值功率为4 mW。BGT-TENG在整个行程中产生2.4 mJ的电能，并在3.5 µHz的双向等间隔激励下，在40 s内能够将22 µF的商用电容器充电至5 V。通过与整流器相连的电路串联，BGT-TENG可以为375个LED灯进行供电。将商用电容器连接到整流电路中，商业温度计也可以被驱动进行工作。因此，这项工作为整个行程能量的有效采集提供了一种新的解决方案，并证明了BGT-TENG在能量采集领域具有潜在的应用价值。

文献链接：Triboelectric nanogenerator for entire stroke energy harvesting with bidirectional gear transmission（Nature Energy， 2020，DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104726）

【团队介绍】

智能结构与系统实验室主要以摩擦纳米发电机、压电发电、压电驱动器等作为团队主要研究方向，研究范围涉及驱动、传动、传感监测等多个热点领域。研究团队现有核心成员20人，指导教师4人，其中教授1人、副教授1人，讲师2人，博士研究生1人，硕士研究生15人，主要负责人程廷海教授带领团队长期从事相关研究方向理论与技术研究，尤其在摩擦纳米发电机及摩擦电式智能传感领域有着丰富的研究经验。研究团队研制了系列机械模式摩擦纳米发电机以提高其能量俘获性能，并将其作为自供能传感器应用于机械装备中，为摩擦纳米发电机在机械装备领域的深入发展提供相关指导。团队累计授权发明专利30余件，形成专利技术保护池，在《Advanced Energy Materials》、《Nano Energy》、《IEEE Transactions on Industrial Electronics》、《Applied Physics Letters》、《Extreme Mechanics Letters》、《Advanced Materials Technologies》等国际知名期刊上发表较高水平学术论文30余篇，SCI期刊论文影响因子总和达200以上，在SCIE中他引200余次,在国内外相关领域内产生积极影响。

智能结构与系统实验室团队发表的部分学术论文

• Cylindrical Direct-Current Triboelectric Nanogenerator with Constant Ouput Current, Jianlong Wang, Yikang Li, Zhijie Xie, Yuhong Xu, Jianwen Zhou, Tinghai Cheng*, Hongwei Zhao*, Zhong Lin Wang*. Energy Mater.2020, 10, 10, 1904227.
• Novel Sweep-Type Triboelectric Nanogenerator Using Single Freewheel for Random Triggering Motion Energy Harvesting and Driver Habits Monitoring. Zhijie Xie, Zhenghui Zeng, Yuqi Wang, Weixiong Yang, Yuhong Xu, Xiaohui Lu, Tinghai Cheng*, Hongwei Zhao*, Zhong Lin Wang*. Nano Energy2020, 68, 104360.
• Triboelectric Flow Sensor with Float-cone Structure for Industrial Pneumatic System Monitoring, Zheng Wang, Qiang Gao, Yingting Wang, Jianlong, Wang, Yuqi Wang, Tinghai Cheng*, Zhong Lin Wang*. Mater. Techno.2019, 4, 12, 1900704.
• Integrated Flywheel and Spiral Spring Triboelectric Nanogenerator for Improving Energy Harvesting of Intermittent Excitations/Triggering, Weixiong Yang, Yuqi Wang, Yikang Li, Jianlong Wang, Tinghai Cheng*, Zhong Lin Wang*. Nano Energy2019, 64, 104104.
• Multi-plate Structured Triboelectric Nanogenerator Based on Cycloidal Displacement for Harvesting Hydroenergy, Mengfei Yin, Yang Yu, Yuqi Wang, Zheng Wang, Xiaohui Lu, Tinghai Cheng*, Zhong Lin Wang*. Extreme Mech. Lett. 2019, 33, 100576
• Triboelectric Nanogenerator by Integrating a Cam and a Movable Frame for Ambient Mechanical Energy Harvesting, Tinghai Cheng, Yikang Li, Yi-Cheng Wang, Qi Gao, Zhong Lin Wang*. Nano Energy2019, 60, 137-143.
• The Current Development and Future Outlook of Triboelectric Nanogenerators: A Survey of Literature, Tinghai Cheng, Qi Gao, Zhonglin Wang*. Mater. Techno. 2019, 4, 3, 1800588.
• An Integrated Triboelectric-Electromagnetic-Piezoelectric Hybrid Energy Harvester Induced by a Multi-function Magnet for Rotational Motion, Teng Ma, Qiang Gao, Yikang Li, Zheng Wang, Xiaohui Lu*, Tinghai Cheng*. ENG. Mater. 2019, 22, 2, 1900872.
• Robust Triboelectric Nanogenerator with Ratchet-like Wheel-based Design for Harvesting of Environmental Energy, Qi Gao, Yikang Li, Zhijie Xie, Weixiong Yang, Zheng Wang, Mengfei Yin, Xiaohui Lu*, Tinghai Cheng*, Zhong Lin Wang*. Mater. Techno.2019, 5, 1, 1900801.
• Triboelectric Rotational Speed Sensor Integrated Into Bearing: A Solid Step to Industrial Application, Zhijie Xie*, Jiewei Dong, Yikang Li, Le Gu, Baoyu Song, Tinghai Cheng*, Zhong Lin Wang*. Extreme Mech. Lett.2020, 34, 100595.

本文由木文韬翻译。

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