大連海事大學Nano Energy：一種用于風能采集和風速傳感的新型防潮且自適應風向的旗形摩擦納米發電機

【引言】

采用摩擦納米發電機從環境中采集風能是實現無線傳感系統自供能的理想方法。然而，潮濕的環境和多變的風向使大多數基于摩擦納米發電機原理的風能收集裝置的發電性能嚴重下降。本工作提出了一種防潮且可自適應風向的旗形摩擦納米發電機，并進行了相關研究。將兩片附著導電油墨的PET薄膜和一片PTFE薄膜疊加并對其四周進行密封即構成了旗形摩擦納米發電機的基本結構。采用這種結構的優點為摩擦層與空氣隔絕使得發電性能不受相對濕度的影響。本工作對旗形摩擦納米發電機的結構參數進行了研究以分析幾何結構參數對顫振特性和輸出性能的影響。為了提升旗形摩擦納米發電機的發電性能，將一對旗形摩擦納米發電機相隔一定距離放置，由于內部和外部流動區域之間的風速變化和壓力差，導致一對旗形摩擦納米發電機在工作過程中可以產生相互拍打。采用這種工作模式的旗形摩擦納米發電機的功率密度相較單一的旗形摩擦納米發電機可以提升40倍。旗形摩擦納米發電機的另一個優點是能夠在不配備任何外部機械結構的條件下實現對于任意方向的風能采集。此外，旗形摩擦納米發電機還可以作為一種自供能風速風向傳感器。因此，旗形摩擦納米發電機具備在多種自然條件下采集環境風能和實現自供能風速風向傳感的巨大潛力。

【成果簡介】

大連海事大學徐敏義教授團隊提出并系統性的研究了一種新型防潮且自適應風向的旗形摩擦納米發電機。通過參數實驗發現，調整旗形摩擦納米發電機的彎曲剛度可以實現對其臨界風速的調整。旗形摩擦納米發電機的顫振特性和發電性能受到流固質量比和長寬比的影響。通過研究發現在常規自然條件下采用柔性電極對于風能的收集具有顯著的優勢，可使旗形摩擦納米發電機在不配備外部機械結構的情況下持續采集來自不同方向的風能。更為重要的是，通過風洞中的濕度測試和下雨條件下的性能測試結果可以看出，旗形摩擦納米發電機在高濕度環境下依然有著穩定的輸出。同時，旗形摩擦納米發電機作為一種自供能風速風向傳感器也展現出了較高的精度和穩定性。

【圖文導讀】

圖1.旗形摩擦納米發電機的應用場景和工作原理

(a)旗形摩擦納米發電機的應用場景；

(b)旗形摩擦納米發電機的結構示意圖；

(c)旗形摩擦納米發電機的發電原理。

圖2.旗形摩擦納米發電機的實驗裝置和顫振特性分析

(a)旗形摩擦納米發電機的實驗裝置；

(b)不同彎曲剛度和不同風速下旗形摩擦納米發電機的運動照片；

(c)流固質量比M*=0.43時，長寬比對旗形摩擦納米發電機臨界風速的影響；

(d)流固質量比M*=0.43時，頻率與風速的關系；

(e)流固質量比對頻率和相關斯特勞哈爾數的影響。

圖3.不同長寬比旗形摩擦納米發電機的輸出電壓、電流與風速和彎曲剛度的關系

(a)流固質量比M*=0.35時，旗形摩擦納米發電機的短路電流；

(b)流固質量比M*=0.43時，旗形摩擦納米發電機的短路電流；

(c)流固質量比M*=0.58時，旗形摩擦納米發電機的短路電流；

(d)流固質量比M*=0.35時，旗形摩擦納米發電機的開路電壓；

(e)流固質量比M*=0.43時，旗形摩擦納米發電機的開路電壓；

(f)流固質量比M*=0.58時，旗形摩擦納米發電機的開路電壓；

(g)流固質量比M*=0.58時，不同電極間距下旗形摩擦納米發電機的開路電壓；

(h)流固質量比M*=0.58時，不同電極間距下旗形摩擦納米發電機的短路電流；

(i)流固質量比M*=0.58時，不同電極間距下旗形摩擦納米發電機的轉移電荷量；

圖4.相對濕度對旗形摩擦納米發電機發電性能的影響

(a)濕度測試實驗裝置示意圖；

(b)不同相對濕度下旗形摩擦納米發電機的開路電壓；

(c)不同相對濕度下旗形摩擦納米發電機的短路電流；

(d)不同相對濕度下旗形摩擦納米發電機的轉移電荷量；

(e)不同相對濕度條件下，旗形摩擦納米發電機與ATNG、WTENG、TENG流量計和AF-TENG的輸出性能對比；

(f)為了增強輸出性能而將一對旗形摩擦納米發電機相隔一定間距放置的示意圖；

(g)單一旗形摩擦納米發電機與增強旗形摩擦納米發電機的輸出電流對比；

(h)單一旗形摩擦納米發電機與增強旗形摩擦納米發電機的輸出功率對比。

圖5.旗形摩擦納米發電機的發電性能與風向的關系

(a)不同風向下旗形摩擦納米發電機的開路電壓；

(b)不同風向下旗形摩擦納米發電機的短路電流；

(c)不同風向下旗形摩擦納米發電機的轉移電荷量；

(d)風向指示電路；

(e)旗形摩擦納米發電機采集不同方向風能并指示風向的照片。

圖6.旗形摩擦納米發電機的演示實驗

(a)一對旗形摩擦納米發電機用于驅動傳感器工作的電路示意圖；

(b)一對旗形摩擦納米發電機驅動溫度傳感器工作的照片；

(c)驅動溫度傳感器工作的充放電曲線；

(d)自供能風速傳感的工作原理示意圖；

(e)旗形摩擦納米發電機和商用風速傳感器的實時風速測量的照片；

(f)旗形摩擦納米發電機與商用速傳感器的對比。

【總結】

本研究成功研發了一種防潮且自適應風向的既可用于風能采集又可檢測風速的旗形摩擦納米發電機。通過調整旗形摩擦納米發電機的彎曲剛度(K_B≤0.21×10^-4)即可使其在3.2m/s的較低風速條件下開始工作。通過風洞實驗，我們提出了長寬比為2的尺寸為150×75mm結構優化旗形摩擦納米發電機。同時我們發現旗形摩擦納米發電機的發電性能隨著彎曲剛度和流固質量比的降低和升高。風向和相對濕度改變時，旗形摩擦納米發電機的發電性能并無明顯下降，說明旗形摩擦納米發電機可以在高濕度條件下正常采集風能。為了進一步增強旗形摩擦納米發電機的發電性能，我們將一對旗形摩擦納米發電機間隔一定距離放置，使其在工作時產生互相接觸。通過這種方式，單一旗形摩擦納米發電機的功率密度提升了40倍，且在7.5m/s的風速下，其電流和功率分別可達6.8μA和36.72μW。通過上述研究發現，旗形摩擦納米發電機在高濕度條件下的風能采集和風速風向傳感方面具有潛在的應用前景。該成果發表在國際著名期刊Nano Energy上，文獻鏈接：A Novel Humidity Resisting and Wind Direction Adapting Flag-type Triboelectric Nanogenerator for Wind Energy Harvesting and Speed Sensing.?Nano Energy, 2020, DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.105279.大連海事大學輪機工程學院博士研究生王巖、碩士研究生楊恩為論文共同第一作者，大連海事大學輪機工程學院徐敏義教授為通訊作者，廣東海洋大學潘新祥教授、北京大學米建春教授，大連海事大學輪機工程學院碩士研究生陳天予、王建業、胡致遠參與了本研究工作。該研究獲國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費和大連市青年科技之星等項目的資助。

【課題組簡介】

大連海事大學輪機工程學院徐敏義教授課題組致力于摩擦納米發電機在船舶與海洋工程領域的基礎與應用研究。近期，課題組成員基于摩擦納米發電機設計了多種形式的能量收集裝置，實現了波浪能[1]，振動能[2]，噪聲能[3]，風能[4]和低品位水波能[5]的高效收集。此外，還研發了自驅動式波浪傳感器[6]，船舶水位傳感器[7]和流量傳感器[8]。

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本文由作者團隊供稿。