中科院納米所王中林院士團隊Nano Energy：利用雙向齒輪傳動收集全沖程能量的摩擦電動納米發電機

【引言】

隨著經濟的發展，傳統能源的消耗也在增加。尋找清潔、可再生能源受到廣泛關注。基于接觸帶電和靜電感應耦合的摩擦電納米發電機（TENGs）是一種新興的能量轉換技術。TENGs具有結構簡單、輸出電壓高、材料應用廣泛、成本低等優點。因此，TENGs廣泛應用于能量采集和傳感領域，如風能、波浪能采集、機械傳感和人類行為監測等。收集機械能的TENGs基本上有四種工作模式：接觸分離式、水平滑動式、單電極式、獨立層式。基于接觸分離和滑動模式設計的TENGs常用于收集振動能和風能。在環境中產生這些能量的運動通常是往復的，，包括向下和向上的運動，機械能在整個行程中始終存在。傳統的TENGs可用于收集每一沖程或接觸瞬間存在的能量。因此，通過研究整個行程的能量收集，可以提高TENGs的能量俘獲能力。

【成果簡介】

近日，在中國科學院北京納米能源與系統研究所、美國佐治亞理工學院王中林院士和長春工業大學程廷海教授團隊（共同通訊作者）帶領下，提出了一種雙向齒輪傳動的摩擦納米發電機（BGT-TENG），用于收集外界激勵下整個行程的機械能。它主要由壓盤、飛輪、齒輪和殼體組成。在外部激勵下，壓盤往復運動，通過兩個反向安裝的齒輪傳動系統進行傳動，從而轉化為飛輪的連續轉動。將銅電極均勻地敷設在殼體內壁上。全氟乙烯丙烯共聚物（FEP）薄膜附著在飛輪的外壁上，在旋轉狀態下薄膜與銅電極相對滑動產生電能。通過優化的參數設置，BGT-TENG的開路電壓為450 V，最大短路電流為14μA，輸出能量為2.4 mJ。通過與帶有整流器的電路串聯，BGT-TENG不僅可以點亮375個串聯的發光二極管（LED），也可以通過連接商用電容器來驅動商用數字溫度計。BGT-TENG能夠在提高能量收集能力的同時，收集整個行程的能量，從而減少能量損失。該成果以題為“Triboelectric nanogenerator for entire stroke energy harvesting with bidirectional gear transmission”發表在了Nano Energy上。其中長春工業大學盧曉暉副教授，碩士研究生徐毓鴻、喬廣達為共同第一作者。

【圖文導讀】

圖1 雙向齒輪傳動摩擦電納米發電機(BGT-TENG)的結構圖

雙向齒輪傳動摩擦電納米發電機(BGT-TENG): (a)整體結構模型，(b)發電單元與回位彈簧處的細節，(c)BGT-TENG的實物照片，(d)BGT-TENG的構成組件。

圖2 BGT-TENG的工作原理示意圖

BGT-TENG的工作原理示意圖:?(a)一次循環運動下的四種不同的運行階段;?(b)發電原理；(c)在三種狀態下的電勢分布仿真分析。

圖3 在不同長度的柔性FEP薄膜的和不同飛輪質量下BGT-TENG輸出性能

在不同長度的柔性FEP薄膜和不同飛輪質量下的BGT-TENG的輸出性能：薄膜安裝角度為30°下的(a, d)開路電壓和(b,?e)短路電流，以及不同薄膜安裝角度下(c)不同薄膜長度和(f)不同飛輪質量對應的BGT-TENG的輸出能量對比。

圖4 BGT-TENG在四種不同激勵條件和激勵頻率下的性能比較

BGT-TENG在四種不同激勵條件和激勵頻率下的性能比較：在(a)單向下行激勵，(b)單向上行激勵，(c)雙向連續激勵，(d)雙向等間隔激勵條件下輸出的短路電流值比較，(e)運行時間比較和(f)輸出能量比較。

圖5?BGT-TENG的電氣特性

BGT-TENG的電學特性：(a)電容器(22μF)在雙向等間隔距激勵的不同激勵頻率下的充電曲線，(b)不同負載電阻下的輸出電壓和電流，(c)不同負載電阻下的瞬時輸出功率。

圖片顯示BGT-TENG為低功率設備供電:?(d) 375個串聯的的LED燈被點亮，(e)實驗裝置設置，(f)被成功驅動的商用溫度計放大圖。

【小結】

綜上所述，提出了一種實現全行程能量采集的雙向齒輪傳動的摩擦電納米發電機(BGT-TENG)。研究表明，飛輪質量為1243?g的BGT-TENG具有最佳的輸出性能，最大峰值功率為4?mW。BGT-TENG在整個行程中產生2.4 mJ的電能，并在3.5?μHz的雙向等間隔激勵下，在40?s內能夠將22?μF的商用電容器充電至5?V。通過與整流器相連的電路串聯，BGT-TENG可以為375個LED燈進行供電。將商用電容器連接到整流電路中，商業溫度計也可以被驅動進行工作。因此，這項工作為整個行程能量的有效采集提供了一種新的解決方案，并證明了BGT-TENG在能量采集領域具有潛在的應用價值。

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

【團隊介紹】

智能結構與系統實驗室主要以摩擦納米發電機、壓電發電、壓電驅動器等作為團隊主要研究方向，研究范圍涉及驅動、傳動、傳感監測等多個熱點領域。研究團隊現有核心成員20人，指導教師4人，其中教授1人、副教授1人，講師2人，博士研究生1人，碩士研究生15人，主要負責人程廷海教授帶領團隊長期從事相關研究方向理論與技術研究，尤其在摩擦納米發電機及摩擦電式智能傳感領域有著豐富的研究經驗。研究團隊研制了系列機械模式摩擦納米發電機以提高其能量俘獲性能，并將其作為自供能傳感器應用于機械裝備中，為摩擦納米發電機在機械裝備領域的深入發展提供相關指導。團隊累計授權發明專利30余件，形成專利技術保護池，在《Advanced Energy Materials》、《Nano Energy》、《IEEE Transactions on Industrial Electronics》、《Applied Physics Letters》、《Extreme Mechanics Letters》、《Advanced Materials Technologies》等國際知名期刊上發表較高水平學術論文30余篇，SCI期刊論文影響因子總和達200以上，在SCIE中他引200余次,在國內外相關領域內產生積極影響。

智能結構與系統實驗室團隊發表的部分學術論文

• 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.

本文由木文韜翻譯。

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