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《AFM》:独特结构设计!一种基于空气动力学的摩擦纳米发电机

来源:雷竞技app官方版下载 作者:雷竞技app官网 发布时间:2022-10-03

  能源问题是人类面临的严重问题。石油、煤炭等不可再生能源的开发利用对我们的生活环境产生了越来越大的负面影响。同时,物联网(IoT)时代的到来也对新能源的发展提出了需求。源自麦克斯韦位移电流的基于摩擦起电和静电感应的摩擦纳米发电机(TENG)作为一种将机械能转化为电能的新技术,具有良好的应用前景。然而,摩擦纳米发电机(TENG)的多操作的鲁棒性仍然是实现实用化和产业化必须解决的棘手问题。

  来自中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所的学者基于空气动力学的 TENG (AB-TENG) ,通过将其与螺旋桨和转子相结合制备而成,它可以在接触和分离模式之间自动切换。通过优化弹簧刚度系数可将分离速度降至150转/分,连续运行超过137.8万次循环后仍保持95.18%的电输出。结合电源管理电路,这些 0.56、1、3.3 和 10 mF 的电容器可以分别在 7.3、9.3、16.7 和 43.4 s 内快速充电至 3 V。此外,AB-TENG 可以通过收集不规则气流或驱动一台支持蓝牙的设备,同时为 6 台数字温湿度计供电,或者分别驱动并联 6 个 3 W 商用 LED 灯泡或 240 个绿色 LED 灯珠。这项工作为提高 TENGs 的多操作鲁棒性提供了一种有效的策略,更重要的是,克服了该技术在高转速下由摩擦电材料的磨损极限引起的机械耐久性和电稳定性困难,并可能揭示其在分布式能源和物联网的应用。相关文章以“Aerodynamics-Based Triboelectric Nanogenerator for Enhancing Multi-Operating Robustness via Mode Automatic Switching”标题发表在Advanced Functional Materials。

  图1. AB-TENG 的示意图。a) AB-TENG 的基本结构示意图。b) 基于空气动力学的自动工作模式切换的工作原理。AB-TENG 的 c) 接触模式和d) 分离模式的电荷转移示意图。

  图2. 弹簧参数对工作模式切换的影响。a) AB-TENG 的基本结构示意图(比例尺,10 mm)。b) 转子的力分析。c) 升力测量系统示意图。d) 不同转速下螺旋桨产生的升力曲线。e) 理论和实验中不同弹簧线径下转子的分离距离曲线。f) 不同弹簧丝直径下转子的分离阈值和最大分离距离(500 rpm)。g)TENGs模式转换工作的比较。

  图3. AB-TENG的电输出性能。a) AB-TENG在不同转速下的转移电荷和分离距离。b) AB-TENG 耐久性测试中伺服电机的控制模式。c) AB-TENG 在耐久性测试下的转移电荷和 d) 局部放大图。e) 自动模式切换、分离模式和接触模式 TENG 在 48 小时内的鲁棒性。f) I) 自动模式切换、II) 分离模式和 III) 接触模式TENG 连续运行 48 小时后的光学显微镜照片(比例尺为20 μm)。

  图4. AB-TENG 作为实用电源的应用。a) AB-TENG 通过 PMC 运行的示意图。b) AB-TENG 充电的各种电容器的电压。c) 驱动 6 个并联商用温湿度计期间电容器 (10 mF) 的电压曲线,插图显示了开启瞬间的详细电压曲线。d) 由 AB-TENG 提供动力的 6台温湿度计的线 mm)。e) 为商用蓝牙温湿度计供电的存储电容器 (10 mF) 的电压曲线,插图显示了蓝牙温湿度计和智能手机应用程序界面的照片。

  总之,本文通过独特的结构设计提出了一种基于空气动力学的新型 TENG,能够有效克服摩擦电材料磨损极限导致的高转速下的机械耐久性和电气稳定性技术难题。通过对转子的力学和运动学分析,从理论上和实验上探讨了AB-TENG自动模式切换的影响因素。此外,证明了AB-TENG接触分离模式切换的临界速度可根据转子质量和弹簧常数进行调节和控制,通过选择合适的弹簧,将接触分离的临界速度优化为150 rpm。此外,其电输出在 48 h 后仍可保持 95.18% 的原始状态(大于137.8万次循环),而传统接触式和非接触式 TENG 分别为 12.57% 和47.22%。如与电源管理电路相结合,采用AB-TENG集成自供电能源,用于为各种电容器充电并通过收集风能驱动各种低功率电子设备。这项工作为增强 TENG 的多操作鲁棒性和耐久性问题开辟了新途径,并可能深刻影响全球未来的分布式能源。(文:SSC)

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