Adv. Energy Mater.：王中林-利用鸭型摩擦纳米发电机收集水波能为无线传感器供电

【引言】

目前，无线传感器网络（WSN）广泛地应用于工业自动化、建筑结构、可植入传感器、人体健康和环境监测中。其中，为广泛分布的电子器件提供能量是亟待解决的问题。传统的电池供电在实际应用中存在诸多限制，例如，使用寿命较低、更换昂贵、体积过大以及环境问题等。因此，收集环境中的能量为WSN供能是一种有效的替代方案。在众多的环境能量中，动能是其中种类最多、分布最为广泛的，所以，发展高效、稳定的动能收集装置就是其中非常引人入胜的研究方向。传统的动能到电能的能量转换器件通常使用压电、电磁学、静电转换等原理，并已得到大规模应用。近年来，摩擦纳米发电机（TENGs）已经成为了一种动能-电能转换的有效方案。摩擦纳米发电机主要使用接触带电和静电感应的原理进行发电。研究结果表明摩擦纳米发电机可以在多变和严酷的环境中进行高效的能量转换，此外，其造价低、重量轻，也为微观和大规模的应用提供了可能。水波能作为一种分布最为广泛而又最被忽略的能量还未进行深入的研究，因此，发展一种稳定、高效的将水波能转换为电能的器件并将其作为无线传感器的供能装置是极有意义的。

【成果简介】

近日，来自佐治亚理工大学和中科院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士（通讯作者）等人报道了一种利用摩擦纳米发电机对水波能进行收集，并将其用于无线传感器供电的器件。该成果以“Self-Powered Wireless Sensor Node Enabled by a Duck-Shaped Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Water Wave Energy”为题发表在了2016年12月8日的Advanced Energy Materials上。

实验中制作了一种鸭型的全封闭摩擦纳米发电机，这种发电机可以对随机和低频的水波能进行收集。纳米发电机在水波作用下通过翻滚和俯仰操纵机构实现水波能向电能的转化。将三组纳米发电机进行连接后，器件的峰值瞬时电流可以达到65.5μA，瞬时输出功率密度可达1.366Wm^-2，此外，文中还对摩擦纳米发电机的动力学特性、机械效率、器件稳定性等进行了研究，并探讨了其作为商用无线温度传感器节点供能装置的可行性。

【图文导读】

图1 摩擦纳米发电机的结构、不同状态下的开路电压及其电势分布

（a）基于翻滚接触的独立鸭型能量收集器的结构示意图

（b）鸭型能量收集器的光学照片

（c）鸭型能量收集器在不同状态下的工作机理

（d）鸭型能量收集器在状态Ⅰ（α=0）和状态Ⅱ（α=18）之间时开路电压（Voc）的变化

（e-g）利用COMSOL得到的不同状态下器件的电势分布

图2 多层纳米摩擦发电机的结构示意图及其电学性质测量

（a）多层鸭型器件的结构示意图

（b）器件在水波发生器下进行工作的光学照片

（c）单层及多层器件的开路电压（Voc）

（d）单层及多层器件的短路电流（Isc）

（e）单层及多层器件的转移电荷

（f）单层及多层器件的累计感生电荷

图3 不同水波频率和负载电阻下器件的电学性质及V型器件的模拟图

（a）工作频率为0.25-5Hz下摩擦纳米发电机的开路电压

（b）工作频率为0.25-5Hz下摩擦纳米发电机的短路电流

（c）工作频率为2.5Hz不同负载电阻下发电机各层的功率密度

（d）一个发电机单元在不同负载电阻下的功率密度

（e）不同负载电阻下多层单元的输出功率

（f）基于WEPTOS WEC模型下的V型器件网络

图4 摩擦纳米发电机工作状态的理论分析

（a）水波与器件作用时的流体-固体模拟图

（b）在不同的无量纲频率f⁰下器件的实验效率和模拟效率的对比

（c）水波流速-器件振幅图

（d）不同波长和波高下器件的振幅

（e）最佳频率（2.63Hz）下器件的震荡时间

（f）最佳频率下器件的力矩系数（C_m）变化

（g）最佳频率下液体流速场分布

图5 摩擦纳米发电机的供能装置电路图及其应用

（a）利用摩擦纳米发电机为无线温度传感器供电的电路图

（b）利用摩擦纳米发电机驱动50颗LED灯

（c）三个摩擦纳米发电机单元结合时的充放电曲线及RF温度传感器的工作位置

（d）将RF传感单元、电容器和整流桥连接在面包板上的照片

（e）温度传感器节点将信号传输到电脑屏幕上，小图为放大的温度数值

【小结】

在能源危机日益严重的今天，寻找绿色的可替代能源就成为了当务之急，而摩擦纳米发电机就是其中很有发展前景的选择。它能将分布广泛的蓝色能源，例如海洋、湖泊和河流的水能转化为电能，具有环境友好、可持续循环的优点，此外，本文中的摩擦纳米发电机还具备制作简便、造价低、重量轻和极其稳定的优势，这也为摩擦纳米发电机的大规模应用提供了基础。相信随着摩擦纳米发电机的深入研究，其终将成为未来绿色能源的重要组成部分。

文献链接：Self-Powered Wireless Sensor Node Enabled by a Duck-Shaped Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Water Wave Energy（Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201601705）

本文由材料人电子电工学术组大城小爱【袁煜昆】供稿，材料牛整理编辑。

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