研究背景
由于世界人口和能源消费总量的持续增长，传统化石能源和以煤炭为基础的低熵能源将无法满足人类长期的能源需求，导致许多国家日益增长的能源需求和有限的能源供应之间的矛盾。因此利用风能、太阳能、水波等可再生分布式能源发电受到了全世界的关注。摩擦纳米发电机（TENG）是一种可以将环境中的随机机械能，包括风能、海洋能和人体运动等转化为电能的装置，是可持续风能收集的良好候选者。多数的TENG风能收集工作主要围绕着材料改性和多发电机耦合来提高输出效果，且大多报道都集中在低频和高风速领域，设备的启动风速在 2 m/ s 以上，存在低频风能收集的空白。此外低频风能的分布多为丘陵平原地带，在100米高度的平均风速低于3m/s的地区占全国面积的1/3，自此开发适合微风能量采集的设备仍然具有较高的挑战性。
文章概述
受鸟类羽毛结构的启发，北京纳米能源与系统研究所曹南颖研究团队开发了多层拍打式摩擦纳米发电机（FI-TENG），该结构具备升阻比调节功能，能够最大限度提高叶片的捕风能力。FI-TENG的叶片设计允许在下冲程阶段产生高升力，而在上冲程时产生低阻力，保持两种状态的阻力差从而实现最高能量收集效率（升阻比为45，而普通机翼的升阻比低于 11）。FI-TENG 以接触分离模式运行，确保了在各种风速条件下的低磨损特性。FI-TENG 的五层复合叶片可保持叶片运动的一致性，增强叶片协同作用的同时提供稳定的工作状态。此外该工作分析了叶片的压力和流速分布，模拟了羽毛的单向空气通过机制。真实环境的风力测试表明，该结构的启动风速低至 0.5 m/s，在最大风速条件为 2.5 m/s时，峰值功率达到 2.36 mW。FI-TENG 可广泛应用于山谷、丘陵等野外环境，满足室外环境监测的功能，并可具备建立环境监测网络的条件，在分布式环境监测、和物联网方面具有广阔的应用前景。
该成果以“Feather-inspired triboelectric nanogenerator with lift and drag modulation for wind energy harvesting”为题发表在权威期刊《DEVICE》上。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100571
图文导读
图 1. 羽毛启发的 TENG 的仿生学起源和结构设计。(A) 鸟类羽毛结构示意图。(B) 鸟类飞行时羽毛分布示意图（i）鸟类羽毛宏观运动演示和（ii）高升力和低阻力羽毛原理演示。(C-D) FI-TENG 的结构示意图。(E）FI-TENG 叶片框架部分实物图。(F) FI-TENG 与其他相关设备的启动风速比较。
图 2. FI-TENG 工作原理示意图和 COMSOL Multiphysics 仿真验证。(A) 短路状态下的电流和电荷分布示意图。(B) 叶片组工作电路连接示意图。(C) COMSOL Multiphysics 模拟的开路状态下的电势分布示意图。(D) FI-TENG 工作的整体协调示意图。(E) COMSOL Multiphysics 对 FI-TENG 前后压力分布的模拟以及升力和阻力分析。
图 3. FI-TENG 性能优化。(A) FI-TENG 性能优化动态位移测试系统示意图。插图显示了可修改的四个参数的示意图。(B-D) 不同三电材料的性能输出。(B) 开路电压、(C) 输出电荷和 (D) 短路电流。(E) 不同衬底材料的叶片输出性能。(F) 不同支撑层的叶片输出性能。(G) 不同叶片间距的输出性能。(H) FI-TENG耐久性测试图。
图 4. 风扇条件下 FI-TENG 单组叶片运行和整体运行的输出性能特征。(A 和 B) 不同风速下的单组叶片 (A) 短路电流，(B) 转移电荷。(C) 不同叶片组的开路电压测试。(D) 相应接入不同组叶片时的短路电流测试性能。(E 和 F）不同风速下 FI-TENG 的整体输出性能（E）短路电流，（F）开路电压。(G) 不同容量电容器在 2.5 m/s条件下的充电性能曲线。(H) 100 μF 电容器在不同风速下的充电特性。(I) FI-TENG 在 2.5 m/s下的输出功率和瞬时峰值电流-电阻关系。
图 5. FI-TENG 设备的应用演示。(A) FI-TENG 装配实物图，实验过程中提到了每个部件的详细制造过程。(B) 电源管理电路原理图。(C) 连接电路后不同电容器的充电特性曲线。(D) FI-TENG 可点亮 120 颗 LED。(E) FI-TENG 为温度计供电的照片和演示。(F) FI-TENG 为商用温湿度计供电 5 分钟，使其持续工作 10 秒钟。
总结
本文利用V-Q图作为一种可视化工具，全面分析了TENG的最大能量循环与不同能量提取方法之间的能量传输关系。基于这一分析验证了将TENG的固有电容作为电源管理电路的激励源，不仅可以大幅降低寻找最优电容/电压的成本，还能避免由双电容系统引起的大量能量损失。更重要的是，通过对S-TENG的电容模型和结构参数进行分析，提出了增加上摩擦层的厚度是可以在避免静电击穿导致电荷损失的同时，提高输出电压的一种可行方案。最后，结合浸没在油中的同步开关以消除火花放电，实现了具有高能量密度的高电压-高电荷（HV-HQ）能量循环。最后由于S-TENG的高性能以及TENG与PMC之间的无损能量传输，通过匹配适当的PMC，S-TENG在低电压条件（0.5伏至5伏）下的输出功率可以提高至少两个数量级。此项研究不仅为提升TENG性能开辟了新的路径，同时也为TENG所产生能量的高效利用与存储树立了典范。
编辑：林鑫 | 审核：月铭
