Adv. Energy Mater. : 麥克斯韋位移電流助力旋轉摩擦電納米發電機有效電流傳輸

【引言】

智能家居將自動化系統與家用電器集成，以提供遠程監控和自動控制。但是，傳感器、交換機等組件的供電限制了自動化系統的可持續性和便攜性。此外，移動電子設備和電網之間的電線對于智能家居的設計非常不方便。基于環境能量采集器的自供電系統為此問題提供了潛在的解決方案。一方面，能量采集器可以連續驅動自動化系統; 另一方面，無線能量傳輸(WED)可以使移動電子設備可持續運行。摩擦電納米發電機(TENG)作為一種新的機械能轉換技術，自2012年發明以來引起了人們的廣泛關注。混合結構可以進一步提高TENG的效率和適應性，但是由于結構設計導致的自由空間中的電場泄漏作為勢能被忽略。最近，研究人員已證實漏泄場產生的麥克斯韋位移電流是TENG的基礎，加深了對TENG工作機理的認識。

【成果簡介】

近日，中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士、北京科技大學王寧教授、曹霞教授(共同通訊作者)等提出了一種整合接觸式TENG和斷開式TENG的旋轉TENG，用于轉換旋轉能量為智能家居供電，并在Adv. Energy Mater.上發表了題為“Efficient Delivery of Power Generated by a Rotating Triboelectric Nanogenerator by Conjunction of Wired and Wireless Transmissions Using Maxwell’s Displacement Currents”的研究論文。接觸式TENG主要由定子和轉子組成，它可以有效地收集環境旋轉的機械能。有線元件可提供≈2mA和≈110V的輸出，使用有限大小的集電極的無線元件可提供≈3μA和≈17.5V的輸出電流和電壓(功率密度為21.8 mW·m^-2)，可為小型移動電子產品和數碼相機充電。該研究擴展了TENGs在智能家居中的應用。

【圖文簡介】
圖1 集成式旋轉TENG的結構設計

a) 轉子和定子的示意圖；
b) 具有無線能量收集器的集成式TENG的示意圖；
c) 所制備的集成式TENG和PCBs的照片；
d) 斷開式TENG的頂視圖。

圖2 集成式旋轉TENG的工作原理

a) 連接式TENG的工作原理：(i)初始態，(ii)中間態，(iii)終態；
b) 斷開式TENG摩擦生電后的空間電勢分布：(i)3D分布，(ii)垂直分布，(iii)平面分布。

圖3 集成式旋轉TENG的電輸出

a) 有線傳輸TENG電源的短路電流；
b) 有線傳輸TENG電源的開路電壓；
c) 無線傳輸TENG電源的整流輸出電流；
d) 無線傳輸TENG電源的整流輸出電壓。

圖4 用于WED的集成旋轉TENG的電輸出

a) 輸出隨收集器數量的變化；
b) 垂直距離h對輸出的影響；
c) 徑向距離r對輸出的影響；
d) 不同旋轉速率下的輸出；
e) 外部負載電阻對輸出的影響，電阻7MΩ時功率最大；
f) 摩擦起電后時間對輸出的影響。

圖5 集成式旋轉TENG作為電源的應用

a) LED與集成式旋轉TENG收集器連接的照片，內插為相應的電路圖；
b) TENG電源無線傳輸點亮的LEDs；
c) TENG電源為手機有線充電；
d) TENG電源為數碼相機有線充電；
e) 集成式旋轉TENG點亮連接到集成電路的3 W燈泡的照片，內插是整個體系的電路圖。

【小結】
綜上所述，作者已經證實基于麥克斯韋位移電流的WED集成旋轉TENG有望為智能家居進行電力供應。特別是，TENG具有非常簡單的結構，主要包含具有四個扇區的PP(聚丙烯)盤。此外，PP盤的新型工作模式主要為了避免與另一個摩擦電表面的持續摩擦。具有無線充電的TENG在2cm的垂直高度處收集，整流輸出電流和電壓分別為≈3μA和≈17.5V，功率密度最大值為21.8 mW·m-2，可為無線的小型移動電子設備供電。此外，當旋轉器的旋轉速率保持在500 r·min-1時，為WED所設計的TENG具有≈2mA和≈110V的更高電輸出。最后，作者展示了集成式旋轉TENG直接為電燈、手機和數碼相機充電。該工作提出了一種用于收集旋轉能量的新型混合TENG，并開發了麥克斯韋位移電流在自供電無線系統中的應用。

文獻鏈接：Efficient Delivery of Power Generated by a Rotating Triboelectric Nanogenerator by Conjunction of Wired and Wireless Transmissions Using Maxwell’s Displacement Currents?(Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201802084)

本文由材料人編輯部abc940504【肖杰】編譯整理。

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