研究背景
以高速铁路为代表的智能交通系统的快速发展，给人们的出行带来了极大的便利。同时，智能高速铁路的正点和自动控制特性依赖于大规模的信号和传感器，需要低压弱电供电。列车系统超高压电网供电方式不能直接驱动相应的信号和传感装置。因此，采用复杂的电源管理设备调节列车系统的特高压电网系统驱动低功率信号和传感设备将造成大量的功率损耗，并产生相应的经济运行成本。另一方面，列车在运动过程中会产生丰富的振动能量，而这些振动能量目前是完全废弃的。更重要的是，为了提高乘客的舒适性，目前的列车相关设计会增加各种复杂的阻尼装置，以减少车辆振动，达到列车的舒适性。然而，相关设计不仅会增加整个列车系统的复杂性，还会增加列车的负荷，以提高相应的能耗。为有效解决上述问题和矛盾，铁路列车振动能量收集装置的低成本高效阻尼结构将在自供电列车信号与传感设备的建设和提高列车舒适性方面发挥重要作用。
文章概述
本文提出了一种具有一体化结构设计的混合摩擦电-压电-电磁发电机（HTG），用于采集高速列车的振动能量。首先，通过静电纺丝工艺，大大提高了聚甲醛（POM）薄膜的摩擦电性能，制备的聚甲醛薄膜的输出功率比商用材料提高了约130倍。此外，HTG通过将体积较大的磁体作为能量捕集器进行集成设计，并利用PENG回收非弹性碰撞中损失的大量能量，实现了高功率输出和高空间利用率，获得了1.152 kW/m3的高功率密度输出，远高于以往的研究。更重要的是，构建了基于HTG振动能量采集系统的自供电无线高速铁路传感器监测系统，实现了仿真振动试验中振动速度、频率、位移等参数的实时监测。进一步为智能高速铁路系统实现实时、准确的车辆运行状态分析提供了重要的数据支持。我们的研究不仅为高功率密度振动能量收集装置的设计提供了重要的研究思路，而且为设计更加经济、绿色的智能高速列车提供了重要的技术支持。
文章以“A Hybrid Triboelectric-Piezoelectric-Electromagnetic Generator with the High Output Performance for Vibration Energy Harvesting of High-Speed Railway Vehicles”为题发表在国际著名期刊《Nano Energy》上。北京交通大学硕士研究生王美琪和博士研究生郝逸君为本文的共同第一作者，北京交通大学李修函教授和张楚国副教授为本文通讯作者。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsaenm.4c00525
图文导读
图1 HTG的设计及工作机理。(a)基于HTG的高速铁路车辆振动能量采集系统原理图。(b) HTG结构图。(c) HTG工作过程示意图。（d-f）EMG、PENG和TENG的工作原理。(g)一些具有振动能量收集的混合发电机的性能。
图2 C-TENG和E-TENG的输出性能。(a) POM和FEP的势能图。(b)商用POM薄膜和电纺POM纳米纤维薄膜的XPS图像。(c)电纺POM纳米纤维薄膜的SEM图像。（d-f）不同受力作用下C-TENG的电压、电流及转移电荷曲线。（g-i）不同受力作用下E-TENG的电压、电流及转移电荷曲线。
图3 EMG、PENG和M-TENG的输出性能。（a-c）不同负载下不同频率、电压、电流、功率下的EMG输出。（d-f）不同负载下不同频率电压、电流和功率下的PENG输出。（g-i） 不同负载下不同频率、电压、电流、功率下的M-TENG输出。
图4 HTG输出性能。不同频率EMG的(a)电压(b)电流输出。不同频率下PENG的 (c)电压，(d)电流输出。M-TENG在不同频率下M-TENG的(e)电压，(f)电流输出。(g) EMG的功率，(h) PENG的功率，(i) M-TENG的功率。
图5 HTG的应用。(a) HTG自供电系统结构图。(b)驱动电子器件的HTG电路图。(c)使用M-TENG给不同电容器充电的电压。(d)三台发电机和HTG的充电曲线。(e) HTG作为驱动湿度计电源的演示。(f)振动能量采集和信号传输系统演示。(g)实时无线传感信号的计算机接口。
总结
综上所述，提出了一种集成设计的混合摩擦电-压电-电磁发电机（HTG），它结合了三种发电机的优点，有效地拓宽了工作频带，通过互补转换机构捕获更多的机械能，提高了整体输出。由于静电纺丝技术制备的POM纳米纤维薄膜具有高比表面积、粗糙度和超薄特性，其制备的TENG输出功率比商用POM薄膜提高了两个数量级。此外，得益于一体化的结构设计和良好的系统集成度，HTG的功率密度输出达到了1.152 kW/m3，创造了振动能量收集混合动力发电机功率密度的新纪录。更重要的是，基于HTG的自供电无线运动监测系统可以通过采集振动能量，实现对运动速度、频率、位移等多种运动参数的实时监测。最后，进行相应的阻尼结构设计，进一步提高高速车辆的舒适性。因此，HTG在建造更节能、更环保的智能高速列车方面具有巨大优势。这证明了其在建设更加节能环保的智能高速列车方面的巨大优势。该工作将对高输出TENG和振动能量收集装置的研究以及智能高铁的设计具有重要意义。
编辑：无痕 | 审核：树屋鼠
