大连海事大学徐敏义和中南大学王汉封Nano Energy：基于摩擦纳米发电机的多功能风屏障：风能采集、风速传感和高效挡风

【引言】

为了防止高速火车和车辆的脱轨或倾覆，通常在道路的一侧或两侧安装风屏障，以构建出一个风力相对较低的车辆运行环境并，提高车辆在强侧风条件下的稳定性。显而易见的，在安装风屏障的区域通常蕴含着大量的风能资源。虽然常规的风力发电机可以有效的收集风能，但是由于其结构特性的限制而不能用作风屏障。此外，野生动物与风力发电机的碰撞会导致其大量的死亡，同时设备的维护也是一个棘手的问题。因此，设计一种可以将风能转换成电能，为附近的无线传感器网络供电并有效地抵御强风的风屏障是十分有必要的。近年来，科研人员研制出了基于摩擦起电和静电感应原理响应外部机械刺激而产生电信号的摩擦电纳米发电机（TENG），并研发了一类基于TENG原理的将流致振动能量转化为电能的风能收集装置。研究表明，集成大量TENG单元以增加能量输出已经成为TENG在实际应用中的一个发展趋势，但其中的一些问题仍需要系统地进行研究。此外，TENG可以在无需外接电源的条件下，根据自身产生的电信号作为风速和风向的主动传感器。大量研究人员的研究成果表明颤振薄膜式TENG已经展现出了包括结构简单，成本低廉，坚固耐用，能量转换效率高和扩展性好等很多优点。因此，TENG与传统风屏障的结合具有巨大的应用潜力。

【成果简介】

大连海事大学徐敏义教授团队和中南大学王汉封教授提出并系统地研究了由大量TENG单元构成的多功能TENG风屏障。TENG风屏障不但可以从自然风中收集能量，还可以收集过往车辆产生的滑流的能量。需要着重提及的是，高速运行车辆产生的滑流通常被认为对周围的人和建筑物是具有极大危害的。由于其方向随机和不稳定的特点，无法通过传统的风能收集方法进行收集。在这项工作中，TENG风屏障可以对滑流能量进行有效的收集。而且，研究人员还发现TENG风屏障挡风效率要比传统的多孔式风屏障高出35％，这一特性大大提高了运行车辆的安全性。另外，科研人员发现在TENG单元中FEP膜的颤动频率与风速成线性关系，利用这一特点可以将TENG单元用作风速计来监测风屏障的工况。综上所述，这项工作证明了TENG风屏障在挡风，能量收集和自供能风速传感方面展现出了明显的优势，并为TENG在其他领域的进一步应用提供了理论基础。

【图文导读】

图1. TENG风屏障的应用场景和工作原理

（a）TENG风屏障的应用场景，TENG单元的照片以及TENG单元的示意图

（b）TENG单元中设置的坐标系

（c）TENG单元的工作原理

图2. 风洞中TENG单元的结构优化实验

（a）实验装置示意图

（b）不同膜垂度TENG单元的临界风速

（c-e）输出电流与垂度，空气间隙和膜宽度的关系

图3. TENG单元的发电性能与风速，湍流度和风向的关系

（a-c）开路电压，短路电流和膜颤振频率与风速的关系

（d-f）开路电压，短路电流和膜颤振频率与湍流度的关系

（g-i）TENG单元的开路电压，短路电流和转移电荷量与风向的关系

图4. TENG风屏障的发电性能

（a）TENG单元的输出电流

（b）由66个TENG单元组成的TENG风屏障的输出电流

（c）输出电流随TENG单元个数变化曲线

（d）TENG单元外加电阻的输出电流与功率的变化曲线

（e）TENG风屏障外加电阻的电流与功率的变化曲线

（f）功率随TENG单元个数变化曲线

图5. TENG风屏障和传统风屏障的挡风性能对比

（a,b）孔隙率为45.4％的传统风屏障和TENG风屏障的烟线可视化实验

（c,d）传统风屏障和TENG风屏障后部的速度云图对比

（e,f）传统风屏障和TENG风屏障后部的湍流度云图对比

图6. TENG风屏障作为电源和传感器的演示

（a-c）TENG风屏障点亮家用照明LED的照片，驱动“CAUTION”形状LED灯和温湿度传感器的照片

（d）TENG传感器和商用传感器进行实时风速测量的照片

（e）TENG传感器与商用风速传感器的比较。

【总结】

传统风屏障和新型风能采集装置的集成非常适合将风能转换为电能，同时又能保证车辆免受强风侵袭。在这项工作中，研究人员提出并研究了由大量摩擦电纳米发电机（TENG）单元集成的多功能风屏障。 TENG单元由两个铜电极和一片氟化乙烯丙烯（FEP）膜组成，膜两端固定在3D打印的通道上。对TENG单元的结构进行优化后，用66个并联的TENG单元构成了TENG风屏障。研究发现风屏障在10 m / s的风速下可以产生高达440μA和26 mW的输出电流和功率。同时， TENG风屏障可以收集过往车辆引起的滑流的能量。更重要的是， TENG风屏障的挡风效率比传统的多孔式风屏障高了35％，这大大提高了车辆的安全性。此外，风屏障的每个TENG单元都可以用作自供能风速计，以监测风屏障的工况。因此，本研究中的新型风屏障具有巨大的潜力，可应用于风能的采集，自供能风速传感和更加高效的挡风。该成果发表在国际著名期刊Nano Energy上，文献链接：Multi-functional wind barrier based on triboelectric nanogenerator for power generation, self-powered wind speed sensing and highly efficient windshield. Nano Energy, 2020, DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104736. 大连海事大学轮机工程学院博士研究生王岩、硕士研究生王建业、助理教授肖秀为论文共同第一作者，大连海事大学轮机工程学院徐敏义教授与中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室王汉封教授为共同通讯作者，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博士研究生Phan Trung Kien、硕士研究生王思远、董家乐参与了本研究工作。该研究获得国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的资助。

【课题组简介】

大连海事大学轮机工程学院徐敏义教授课题组致力于纳米发电机在船舶与海洋工程领域的基础与应用研究。近期，课题组成员基于摩擦纳米发电机设计了多种形式的能量收集装置，实现了波浪能^[1]、振动能^[2]、噪声能^[3]和低品位水能^[4]的高效收集。此外，还研发了自驱动式波浪传感器^[5]，船舶水位传感器^[6]和流量传感器^[7]。

[1] Xu, M.; Zhao, T.; Wang, C.; Zhang, S. L.; Li, Z.; Pan, X.; Wang, Z. L., High Power Density Tower-like Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Arbitrary Directional Water Wave Energy. ACS nano 2019, 13 (2), 1932-1939.

[2] Xiao, X.; Zhang, X.; Wang, S.; Ouyang, H.; Chen, P.; Song, L.; Yuan, H.; Ji, Y.; Wang, P.; Li, Z.; Xu,M.; Wang, Z. L., Honeycomb Structure Inspired Triboelectric Nanogenerator for Highly Effective Vibration Energy Harvesting and Self‐Powered Engine Condition Monitoring. Adv. Energy Mater. 2019, 9 (40), 1902460.

[3] Zhao,H.; Xiao, X.; Xu, P.; Zhao, T.; Song, L.; Pan, X.; Mi, J.; Xu, M.; Wang, Z. L., Dual‐Tube Helmholtz Resonator‐Based Triboelectric Nanogenerator for Highly Efficient Harvesting of Acoustic Energy. Adv. Energy Mater. 2019, 9 (46), 1902824.

[4] Jiang, D.;  Su, Y.;  Wang, K.;  Wang, Y.;  Xu, M.;  Dong, M.; Chen, G., A triboelectric and pyroelectric hybrid energy harvester for recovering energy from low-grade waste fluids. Nano Energy 2020, 70, 104459.

[5] Xu, M.; Wang, S.; Zhang, S. L.; Ding, W.; Kien, P. T.; Wang, C.; Li, Z.; Pan, X.; Wang, Z. L., A highly-sensitive wave sensor based on liquid-solid interfacing triboelectric nanogenerator for smart marine equipment. Nano Energy 2019, Volume 57, 574-580.

[6] Zhang, X.; Yu, M.; Ma, Z.; Ouyang, H.; Zou, Y.; Zhang, S. L.; Niu, H.; Pan, X.; Xu, M.; Li, Z.; Wang, Z. L., Self-Powered Distributed Water Level Sensors Based on Liquid–Solid Triboelectric Nanogenerators for Ship Draft Detecting. Adv. Funct. Mater. 2019, 29 (41), 1900327.

[7] Phan, T. K.;  Wang, S.;  Wang, Y.;  Wang, H.;  Xiao, X.;  Pan, X.;  Xu, M.; Mi, J., A Self-Powered and Low Pressure Loss Gas Flowmeter Based on Fluid-Elastic Flutter Driven Triboelectric Nanogenerator. Sensors 2020, 20 (3), 729.

本文由tt供稿。 

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：cailiaorenvip。