基于摩擦纳米发电机的波浪能采集系统的研究进展

简单阐述了近年来摩擦纳米发电机(TENG)的工作原理、四种工作模式以及性能优化的方法,并对其四种工作模式的典型结构、优缺点、应用场合以及影响输出功率的主要因素进行了总结.重点介绍了固-液接触型、带有内部机械结构型、混合发电型以及其他类型的用于波浪能收集的TENG的几种结构设计,并对它们的性能以及优缺点进行了比较.介绍了...     

基于拱形结构的摩擦-压电复合式能量采集器

随着纳米技术和加工工艺的发展,纳米发电机被提出用于将自然界中微弱低频振动机械能转化为电能,进而为小型传感系统长续航工作提供可能.基于摩擦纳米发电机和压电纳米发电机的电荷积累与转移规律,设计了拱形结构并构建了摩擦-压电复合式能量采集器,将两种力-电转换模式有效整合,并突破了以往能量采集器只能收集垂直方向机械能的限制.搭建...     

用于水滴能量收集的叉指电极摩擦纳米发电机

近年来，摩擦纳米发电机在收集清洁和可再生水能能源领域中逐渐兴起，尽管摩擦纳米发电机具有高电压输出，但其实际应用受到较低输出电流的限制。为此引入叉指电极以提高摩擦纳米发电机的电输出性能。通过对摩擦纳米发电机的PTFE膜厚和电极宽度进行调控，优选出在一定面积内具有最高发电效率的参数。利用多物理场耦合仿真分析摩擦纳米发电机的工作原理，解析电荷转移过程中的电势分布，验证实验结果的有效性。研究发现，当PTFE膜厚为0.08 mm且电极宽度为25 mm时，摩擦纳米发电机具有最佳电输出特性，开路电压和短路电流分别为47.42 V和453 nA。此外，通过模拟实际雨天环境，该摩擦纳米发电机能够驱动至少28个LED灯珠。相关研究成果可为构建用于水滴能量收集的叉指电极摩擦纳米发电机提供参考，拓展摩擦纳米发电机用于雨水能量收集的实际应用。     

摩擦纳米发电机及其应用

摩擦纳米发电机(TENG)可以收集环境中不同形式的机械能并将其转化成电能,具有材料选择广泛、制作成本低廉、可多功能集成等优势。详细介绍了TENG的基本概念,比较说明了TENG与传统电磁发电机的区别与显著优势,总结了基于不同摩擦方式TENG的详细工作机理,并从工作模式角度综述了TENG由单一模式向组合创新的混合模式发展的研究进展。另外,详细举例介绍了TENG在环境监测、便携式电子产品和自驱动传感器方面的应用。最后,针对TENG目前存在的问题及当今智能化、微型化的科技发展潮流,提出了TENG的三个发展方向:提高其耐高温性能、生物相容性能和灵敏度。     

基于聚二甲基硅氧烷微米结构的柔性单电极摩擦纳米发电机

摩擦纳米发电机已经广泛用于日常生活中收集各种机械能并转换为电能,作为触摸屏和智能皮肤技术的自供能传感系统.为了提高能量转换效率,设计了一种单电极的摩擦纳米发电机(S-TENG).将表面含有微米尺度浮雕结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为S-TENG的摩擦层,一层厚度为20 nm的铟锡氧化物膜作为电极层,通过外部电路可以...     

面向环境振动能量收集的直流摩擦纳米发电机技术进展

介绍了摩擦纳米发电机(TENG)的工作原理和特点,总结了从交流输出摩擦纳米发电机(AC-TENG)到直流输出摩擦纳米发电机(DC-TENG)的技术革新变化,根据摩擦纳米发电机不同的直流化技术原理,分别阐述了基于机械整流式、相位控制式、半导体聚合物的动态肖特基式、空气击穿式的DC-TENG近几年的研究进展,并重点分析了基于静电击穿式DC-TENG的工作原理、性能优化和应用方法等。讨论了AC-TENG和DC-TENG之间的异同,得出了通过两者输出性质的差异化来提高自供电传感器精度的结论。最后,对未来DC-TENG技术进行展望,认为DC-TENG与AC-TENG有相似的发展路线,将面临相似的不足与挑战,通过借鉴AC-TENG的改进过程,能有效减少在DC-TENG发展中可能出现的问题。     

基于弹性钢触发结构的高倍频摩擦纳米发电机

为解决传统摩擦纳米发电机触发方式苛刻、输出性能低及输出性能不稳定等问题,设计了一种基于弹性钢触发结构的高倍频摩擦纳米发电机(ES-TENG),可用于收集环境中各种形式的振动能量并将其转化为电能。本装置选用弹性钢片及纸作为基底,提高了装置在振动环境下的触发灵敏度,同时使装置具有比较明显的高倍频特性,在频率为10 Hz的正弦振动信号驱动下,装置单侧输出的短路电流和开路电压可达64.8μA和914 V,瞬时功率密度高达167.5 W/m³,当负载电阻为5 MΩ时,其输出功率为21.1 mW。利用ES-TENG对4.7μF的电容进行充电,20 s内充电电压达到33.39 V,并且在长时间的高频振动环境下仍能保持其输出性能。     

纳米能源所旋转式直流摩擦纳米发电机研制成功

正中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士领导的研究小组最近研制成功旋转式直流摩擦纳米发电机,用于对旋转机械能的有效收集,首次实现了恒定电流的输出,相关论文于3月2日在线发表于《先进能源材料》(Adv.Energy Mater.DOI:10.1002/aenm.201301798)。摩擦纳米发电机的原理基于摩擦     

基于多孔中空振子的球形摩擦纳米发电机性能研究北大核心CSCD

为研发高效获取波浪能的滚动式摩擦纳米发电机(TENG),针对其内部机械结构提出一种基于多孔聚合物包覆的中空振子结构球形TENG,用于收集水体环境的中低频振动机械能。借助绿色无污染的糖模板工艺,在球形骨架外表面原位聚合多孔硅胶包覆层(厚度<10 mm),并与铝电极、聚酰亚胺薄膜和亚克力球壳组装球形TENG以收集低频不规则的振动能。采用扫描电镜对该包覆层结构进行表征,其孔隙结构有利于振子与聚酰亚胺介电层之间的接触和摩擦,与实心和全泡沫结构振子相比功率输出更大,共可点亮26个功率约为0.06 W的直插式LED灯,同时多孔包覆层结构大幅提升了球形滚动式TENG的开路电压(84 V)和短路电流(13μA)。此外,利用Comsol仿真分析结果对该结构纳米摩擦发电机的工作原理进行讨论,为球形TENG的优化设计和最终走向实用化提供了新途径。     

风能收集型摩擦纳米发电机研究进展

有效地将自然界中的能量转换为电能对于构建环境友好型社会具有重要意义。摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,TENG)是一种新型的机械能-电能转换装置,可实现将微弱机械能高效地转换为电能。在自然界众多的机械能中,风能因其分布广和储存量大而受到广泛关注。近年来,将风能高效率地转换为电能是TENG技术的研发重点之一。研究人员对此展开了细致的研究工作,获得大量研究进展。一般说来,风能收集型TENG的研究内容主要包括器件结构优化、摩擦起电材料的物理与化学改性以及电源管理电路设计优化。针对这些研究内容,详细介绍了近年来TENG在收集风能方面的研究进展,剖析存在的问题,并对其未来的应用和发展进行了展望。     

V型双稳态压电发电机建模与输出特性分析

为对真实环境中宽带低频的振动能量实现有效收集,设计了一种不含磁铁的V型结构双稳态压电发电机,给出了压电发电机的机-电转换模型,并对输出特性进行了仿真分析。结果表明,初始夹角在一定范围内时,V型压电发电机发生随机共振,系统有效收集宽带低频的振动能量。该结构不含磁铁,有利于微型化和集成化。     

非接触式摩擦纳米发电机电荷补偿方法

摩擦纳米发电机(TENG)是一种很有前途的环境能量收集装置,由于其发电原理为不同材料间的相互接触摩擦,使得材料磨损严重,严重降低了设备的机械耐久性和电能输出稳定性。非接触式TENG是解决材料磨损最直接有效的方法,但非接触式TENG会因为电荷量衰减而导致发电效率降低。基于此,利用摩擦电极间接触力响应的滞后特性,结合凸轮装置的行程控制方法,通过电极间低-高-低接触压力的周期性转换,实现对非接触式TENG的电荷补偿。经电荷补偿后非接触式TENG的电压增加了约50 V,电荷量增加了约20 nC,在最佳负载电阻下功率密度增加了约6 mW/m²,有效地提高了非接触式TENG的输出性能。此外,该电荷补偿方法可以在无需改变任何激励条件下自动切换工作模式,为非接触式TENG有效地进行电荷补偿,可为摩擦纳米发电机的寿命提升研究提供参考。     

针尖电极尖端直径对带有针尖结构的摩擦纳米发电机输出的影响

摩擦纳米发电机(TENG)由于其超高电压特性而备受关注.为了进一步提升TENG的输出性能,受益于对自然界闪电击穿空气产生巨大能量的观察,引入对称针尖结构.利用TENG产生的高压来击穿对称针尖微小区域的空气,从而产生能量更为集中的高压.通过电学性能测试得到,带有针尖结构的TENG的开路电压达到2.5 kV(不携带针尖结构...     

铝掺杂对氧化锌基摩擦纳米发电机输出性能的影响

采用溶胶-凝胶工艺制备不同掺杂浓度的掺铝氧化锌薄膜,以其作为正摩擦材料制备垂直-接触分离结构的摩擦纳米发电机;通过改变铝掺杂浓度优化摩擦纳米发电机的电学输出性能。实验表明:在摩擦层接触面积为4 cm~2的情况下,当氧化锌薄膜中的铝掺杂浓度从摩尔分数2%提高到10%,摩擦纳米发电机开路电压峰值也相应提高;当铝掺杂浓度为摩尔分数10%时,摩擦纳米发电机的开路电压峰值达到最大值20 V,相比未掺杂铝时提高约一倍;当铝掺杂浓度大于摩尔分数10%时,摩擦纳米发电机的开路电压峰值呈现出下降趋势。     

人体膝关节能量收集装置的研究现状

可穿戴和便携式电子产品面临反复充放电等诸多问题。分析讨论了利用外部环境能量供能所面临的困境,简要总结了人体潜在的能量,并阐明分析了从人体运动中获取能量为可穿戴电子设备供能的可行性。通过分析人体运动过程中膝关节的生物力学特征与正负功的情况,论述了膝关节作为人体能量收集部位所具有的独特优势。针对膝关节部位的能量收集,详细介绍了压电与电磁能量收集方法及相应的能量收集特点,分析讨论了电磁式、压电式、摩擦式、介电弹性式、复合式膝关节能量收集装置的研究现状与优缺点,最后基于目前的研究现状展望了膝关节运动能量收集装置未来的发展前景。     

基于金属有机框架材料的摩擦纳米发电机的研究进展

简单介绍了摩擦纳米发电机(TENG)的工作原理和垂直接触-分离式TENG的理论模型。概述了金属有机框架(MOF)材料在TENG领域的研究进展,重点分析了MOF作为TENG摩擦材料的几大优势。MOF的多孔结构、大比表面积、易于化学改性以及在复合材料体系中可以作为活性填料的特点能够有效地改善TENG的输出性能;部分具有生物相容性和可降解性的MOF对于TENG在生物医药领域的发展具有促进作用。此外,总结归纳了目前MOF-TENG在化学传感、运动监测、为小型电子设备供电、金属防腐和环境保护等领域中的应用进展。最后,对MOF-TENG当前存在的问题进行了分析和总结,并展望了未来MOF-TENG的发展方向。     

水凝胶基摩擦纳米发电机的研究进展

分析了水凝胶作为摩擦纳米发电机(TENG)材料的独特优势,总结了提高水凝胶基摩擦纳米发电机(H-TENG)输出性能的方法。具有柔韧性、导电性、自愈合性和抗疲劳性的水凝胶组装的H-TENG能满足柔性可穿戴电子设备应用需求,生物相容性和降解性使其更贴近绿色能源的发展方向。主要通过制备高导电性、优异机械性能的水凝胶和优化摩擦层的表面特性以最大限度地提高H-TENG输出功率。但控制水分蒸发和结冰对保持H-TENG的机械性能和导电性仍然具有挑战性,也是维持H-TENG输出性能稳定的关键。最后,阐述了目前H-TENG在自供能传感、微纳能源和生物医学等领域的研究进展。     

压电式可穿戴集能器的研究现状及发展趋势

给出了压电能量收集的基本工作原理,分析了机电耦合工作模式的应用场合,并列出了部分压电式集能器的现有设计。从人体生物力学角度介绍了足底受力情况以及鞋样对足底受力的影响。详细介绍了压电式足部动能集能器的常用材料及现有收集方法,并分别阐述了不同收集方法的研究现状。最后,指出了今后主要需解决的问题,总结了压电式可穿戴集能器的发展趋势。     

典型红外传能光纤的传能特性及其应用

对用于激光能量传输的红外光纤从结构及组分角度进行了分类,并对其中一些具有代表性的光纤的光传输性能进行了分析与比较,特别是它们的功率传输性能以及激光传输、激光损伤机理。还列举了这类红外传能光纤在军事及民用方面的典型应用及前景展望。     

电磁型振动能量收集器研究及发展现状

介绍了电磁感应型振动能量收集器的基本工作原理,根据法拉第电磁感应定律导出了感生电动势和电磁阻尼与能量收集器结构及运动速度的关系。回顾了电磁能量收集器的发展历程和现状,从原始的直线共振型到最新的非共振转动型振动能量收集器,详细梳理了近年来电磁型振动能量收集器的基本结构、工作方式和性能,比较了直线共振型和非共振转动型两类能量收集器的特点及适用环境。根据能量收集器输出能量最大化的要求,从电磁阻尼、升压变换及反馈控制几方面对后端功率输出处理电路的设计特点进行了分析。最后,展望了振动能量收集器的发展趋势。