沈阳建筑大学&北京纳米能源与系统研究所Nano Energy：用于连续和规律收集风能的磁开关结构摩擦纳米发电机

【引言】

世界经济的快速发展导致了对化石能源的过度依赖和消耗，从而导致了能源短缺和环境污染。风能作为一种清洁的可再生能源，因其具有分布广泛、易收集、无污染等特点，从而成为公认的化石燃料替代品。因此，有必要设计出既能提供稳定可靠供应，又价格低廉、结构紧凑的风力发电机。摩擦纳米发电机（TENG）基于摩擦起电与静电感应耦合原理，能够将机械能转化为电能输出。其具有成本低、制作简单、材料选择多样、应用范围广等独特的优点。TENGs能够收集各种自然能源，如风能、蓝色能源、振动能、声波能、降雨能和生物机械能。为了改善从自然环境中获取机械能的能力，设计了机械增频式、间歇能量收集式和机械调控式等多种机械模式的TENGs。其中，机械调控式的TENGs可以将自然界中随机、无规则的机械能转化为规则、可控的电能输出。但是，这些TENGs的输出是不连续的，无法为电气设备连续供电。因此，为了更有效地从随机环境中俘获能量并进行后续应用，设计能够进行连续可控输出的TENG是很有必要的。

【成果简介】

近日，在沈阳建筑大学和中国科学院北京纳米能源与系统研究所的合作下，开发了一种磁开关结构的摩擦纳米发电机（MS-TENG），它由传动齿轮、能量调制模块和发电单元组成。当风间歇性地吹在风杯上时，MS-TENG能通过能量调制模块使风能转化为连续的、有规律的电能。其中，能量调制模块储存和释放的能量不取决于外界输入的风速，而是依赖于磁铁的磁力。实验结果表明，MS-TENG可以作为电源工作，输出特性为410 V, 18 μA, 155 nC，峰值功率为4.82 mW，足以为500个串联的LED或温度计供电。MS-TENG在风能俘获领域的应用前景十分广阔。该成果以题为“Magnetic Switch Structured Triboelectric Nanogenerator for Continuous and Regular Harvesting of Wind Energy”发表在了Nano Energy上。

【图文导读】

图1MS-TENG的结构示意图

（a）总体结构示意图。

（b）左侧能量调制模块。

（c-e）MS-TENG、开关齿轮和开关摆以及发电单元的照片。

图2MS-TENG的工作原理示意图

（a）MS-TENG的不同工作状态。

（b）发电原理示意图。

图3不同的开关磁铁直径下，MS-TENG的输出性能与转子质量的关系

（a-c）不同的开关磁铁直径下，MS-TENG的输出性能与转子质量的关系：（a）直径为10 mm，（b）直径为15 mm，（c）直径为20 mm。

（d-f）不同的开关磁铁直径下，不同转子质量的（d）旋转周期，（e）输出功率和（f）输出能量的对比。

图4不同的磁铁排布方式下MS-TENG的输出性能与输入速度的关系

（a-d）不同开关磁铁分布情况下，MS-TENG的输出性能与输入速度的关系：（a）L1R0，（b）L1R1，（c）L2R0和（d）L2R2。

图5MS-TENG在不同励磁输入下的输出性能

（a-c）MS-TENG在不同输入激励下的输出性能：（a）恒定输入，（b）逐步递增输入，（c）随机输入。

图6MS-TENG的性能

（a）给不同的商用电容器充电。

（b）MS-TENG的负载电压，负载电流和峰值功率。

（c）MS-TENG串联运行500个LEDs。

（d）MS-TENG用于为温度计供电的实验设置。

【小结】

综上所述，作者们设计了一种磁开关结构的摩擦纳米发电机（MS-TENG），在收集风能的同时，能够产生连续而有规律的输出。所进行的测试实验证明，在输入速度高于临界速度的情况下，电能输出是连续且有规律的。当MS-TENG在随机输入条件下工作，其输出电压为410 V，短路电流为18 μA，转移电荷为155 nC，峰值功率为4.82 mW。MS-TENG能够分别为500个串联的LED和一个温度计进行供电，这表明了MS-TENG在风能收集领域的应用前景良好。这种将不规则风能转化为可靠的电能输出的设计思路，可为未来的风能收集型TENG的设计制造提供有益的指导。

文献链接：Magnetic Switch Structured Triboelectric Nanogenerator for Continuous and Regular Harvesting of Wind Energy（Nano Energy， 2021，DOI:10.1016/j.nanoen.2021.105851）

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