Nano Energy综述：摩擦电纳米发电机的机械能转换系统:动力学和振动设计

【前言】

摩擦电纳米发电机(TENGs)代表了一种有前景的下一代可再生能源技术。到目前为止，因为TENGs具有各种优点，例如重量轻、材料选择自由、成本低和高功率转换，所以其已经成功地被用作高敏感自供电的物联网传感器和便携式/可穿戴电源。利用各种机械输入源的能力是TENGs的另一个显著优势。然而，输入源的不规则幅度和频率是目前阻止在工业或实际应用中使用TENGs的关键限制

【成果简介】

近日，来自韩国庆熙大学的Shinkyu Jeong和Dukhyun Choi（共同通讯）联合在Nano Energy上发表综述文章，题为“Mechanical energy conversion systems for triboelectric nanogenerators: Kinematic and vibrational designs”。作者将重点放在用于TENGs常规或受控运行的机械能量转换系统(MECS)；为此，作者采用运动学或振动理论。一旦我们掌握了TENGs的机械操作，我们就可以预测这些器件的发电量。此外，机械频率匹配可以大大降低电路的功率损耗。从旋转运动到线性运动的运动控制，可以有效地提供接触分离模式TENGS的高频操作，使我们能够获得可持续的高性能TENGs。最后，TENGs的谐振系统设计可以产生最大的输出功率。因此，作者讨论了在设计带有TENGs的谐振系统时，如何考虑阻尼效应或非线性影响。最后，这一综述提供了一种有效的方法来避免浪费TENGs的不规则机械输入源，使TENGs的实际商业化更加可行。

【图文导读】

1. 基础理论

1.1. 动力学

图1. 运用数学分析研究点和物体运动的几何学

(a)三连杆系统运动学分析的概念。

(b)运动系统的使用和运动部件的举例。

图2. 齿轮运动模型

(a)齿轮，(b)凸轮从动件，(c)曲柄滑块，(d)矩形飞轮

1.2. 具有冲击非线性的振动系统

图3. 一种通用的弹簧-质量阻尼系统及其自由体图分析

(a)具有冲击非线性的振动系统动态分析的概念。

(b)振动系统的使用和三种基本振动结构的举例。

图4. 冲击非线性振动系统频率响应特性的参数

(a)两侧带有挡板的振动系统的分段模型。振幅频率响应模拟显示了(b)由于冲击导致的硬化现象，(c)共振频率位置随质量增加而向左偏移，以及(d)共振频率位置随刚度增加而向右偏移。(e)振动系统的共振设计协议。

2. TENGs的原理

2.1. TENGs的工作原理

图5. TENGs的四种不同运作模式

(a)垂直接触分离模式, (b)横向滑动模式，(c)单电极模式，和(d)独立式摩擦电层模式。

2.2. TENGs的机械变量

图6. 与TENGs开发相关的参数

TENG性能随各种参数变化: (a)与i)相对介电常数和ii)表面电荷密度相关的材料特性；(b)几何形状，包括i)表面形态，ii)接触面积，iii)电介质厚度，以及iv)间隙距离；(c)环境条件，包括i)相对湿度和ii)温度；和(d)确定i)接触频率和ii)接触力的输入能量水平。

3. TENGs的动能转换系统

在这一部分中，作者回顾了先前研究人员提出的各种TENGs动能转换系统。这篇综述将这些系统分为四个不同的类别:基于1)齿轮系、2)凸轮从动件、3)桁架和4)螺旋弹簧的TENGs。以前，动力学系统与大量发电集成在一起，例如利用蓝色能量的发电厂。这篇综述集中于TENGs的动力学系统，并展示了机械系统对TENGs发展的重要性。

3.1. 齿轮集成TENG系统

图7. 各种齿轮集成TENG系统

(a)基于齿轮和曲柄滑块机构的TENG系统示意图，(b)其功率密度随不同传动比变化。(c)使用齿轮系的水基TENG系统示意图和(d)不同器件连接的输出电压示意图。(e)基于齿轮的运动转换TENG系统示意图。(f)比较将线性运动转换为旋转运动之前和之后的输出功率。

3.2. 基于凸轮从动件机理的TENG系统

图8. 凸轮从动件机理的TENG系统

(a)基于凸轮从动机理的TENG系统示意图和(b)从动件结构。(c)基于垂直接触分离和侧向滑动模式的TENGs的机械耐久性。(d)基于凸轮的TENGs的输出电流，凸轮前端的数量变化。(e)基于凸轮的风车TENG系统和(f)不同风速下的输出电流示意图。

3.3. 基于桁架结构的能量采集系统

图9. 基于桁架结构的摩擦电-压电混合纳米发电机

(a)基于桁架结构的PE-TE混合发电机的动力学分析。(b) PNG和TENG使用输入频率为11 Hz的桁架结构的输出性能。(c)菱形网格结构TENG的示意图，以及(d)其输出功率随单元数量变化的示意图。

3.4. 基于螺旋弹簧的TENG系统

图10. MFR-TENG系统

(a) MFR-TENG系统示意图。(b) MFR-TENG系统的输入能量存储部分。(c) MFR-TENG系统的能量释放部分。(d) MFR-TENG在10、20、30、40和50 Hz频率下的调节输出电压。(e)比较不同TENG频率下的输出TENG电流和变压器电流输出。

4. TENGs振动能量转换系统

在这一部分，作者回顾了文献中发现的各种TENG振动系统设计。如前所述，大多数振动系统设计基于螺旋弹簧、悬臂梁弹簧或固定梁弹簧。尽管文献中已经报道了其他新颖的振动TENG设计，例如基于球的结构、夹层弹性波浪结构和弹性多单元TENG结构，但是本文仅关注三种主要振动结构以及设计参数对TENG频率响应输出的影响。

4.1. 基于螺旋线圈弹簧的TENG系统

图11. 基于螺旋弹簧的TENG振动能量转换系统

实验确定振动TENG (a)带宽和(b)阻尼的方法。具有(c)面外运动和(d)面内运动的多方向TENG的电压和电流输出频率响应。(e)串联TENG系统设计，具有垂直堆叠布置。战略设计的串联TENG的电压输出频率响应。

4.2. 悬臂梁弹簧式TENG系统

图12. 基于悬臂梁弹簧的TENG振动能量转换系统

(a)具有尖端质量的双冲击悬臂TENG示意图，以及(b)不同悬臂长度和尖端质量下的相应输出频率响应。(c)调整悬臂梁的长度在不同频率下工作的悬臂梁示意图，以及(d) 15 Hz谐振频率下最长悬臂梁的TENG输出(e)具有非线性冲击的双共振结构悬臂梁示意图，以及(f)在不同输入加速度下的功率输出频率响应。

4.3. 基于固定梁弹簧的TENG系统

图13. 固定梁弹簧的TENG系统

TENG的基于固定梁弹簧的振动能量转换系统。(a) PTFE膜振动频率模式的图示，以及(b)不同纸张厚度下的电流输出频率响应。(c)频率选择性TENG及其操作示意图，其中振动PTFE膜连接到九个电极上。(d)电极数量与PTFE膜局部共振频率之间关系的结果。(e)四个TENG的声能采集示意图和(f)输出频率响应。

【总结】

自2012年发明以来，由于材料选择的高自由度、大量的操作源、高功率重量比和各种设备结构等原因，TENGs作为微功率系统、自供电传感器和安全监控系统得到了广泛的研究。最近，它们通过利用丰富的潮汐和海浪(即蓝色能量)被进一步应用于第四次工业革命中的人类自适应、自供电的物联网电子设备，甚至是大规模电源。并且我们可以将TENGs的应用扩展到新的市场，例如个人/工业/军事无人机，在这些市场，需要额外的能量来增加电池的使用时间。到目前为止，许多研究人员已经将重点放在新的材料设计、表面处理和几何效应上，以改善TENGs的性能。虽然这些研究非常重要，但改进机械系统设计以实现不规则的输入能量转换可能是实现TENGs商业化的最佳机会。

因此，这篇综述从其基本理论到不同的使用情况系统地探讨了TENGs的动力学和振动能量转换系统。在动力学能量转换系统的情况下，机械部件可分为(i)齿轮集成TENGs，(ii)凸轮从动件集成TENGs，(iii)桁架结构集成TENGs，以及(iv)基于螺旋弹簧的TENGs系统。在振动能量转换系统的情况下，不同的结构被分类为(i)基于螺旋弹簧的TENGs，(ii)基于悬臂梁弹簧的TENGs，和(iii)基于固定梁弹簧的TENGs。详细的参考资料是经过战略选择的，以便根据实例理解不同设计问题的解决方案。

完整的能量收集系统由输入能量源、与TENG集成的MECS和待供电的负载电路组成。我们环境中的机械能在输入行为是不规则的，而要供电的负载电路需要调节和可预测的输出。通过采用基于运动学和振动设计的MECS，我们可以提高TENG的能量转换性能，并从TENG获得受控输出。尽管总系统尺寸可能会增加，效率可能会降低，但是为了避免负载电路阶段的清除功率的显著损失，MECS的使用变得不可避免。因此，对这些系统的优化及其与TENG的集成的进一步研究可以导致基于TENG的完整能量收集解决方案的实现。作者希望这篇综述能启发读者，优化MECS设计对于改善和控制TENGs输出的重要性。此外，基于MECS的基本功能，除了TENGs之外，其他不同类型的机械能量采集器，例如PENS和EMGS，可以利用这种MECS产生高质量的优化输出功率。

文献链接：Mechanical energy conversion systems for triboelectric nanogenerators: Kinematic and vibrational designs, (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.11.056).

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