Advanced Energy Materials:基于双旋转轴TENG (D-TENG) 的宽频风能高效收集自切换自供能系统

风能作为一种普遍存在且可持续的绿色能源在全球范围内受到广泛的研究与利用。传统的“风能收集”一般指俘获风速在3.5 m/s以上的中、强风,这是因为基于电磁式发电机固有的铁-磁式本征结构使其体积庞大、质量笨重等特点,仅在较高的风速范围内才能高效工作。近年来,基于其质量轻盈、材料多样、制造方便、便宜等优点,摩擦纳米发电机(TENG)被证实是收集环境风能的最有效方法之一。目前,如何高效收集3 m/s以下的微风能量仍然是TENG研究的重点。然而,即使满足微风气动力学下的风能收集装置能够制作出来,其必然是牺牲了其它特征,比如尺寸不大、转轴旋转阻碍很轻或者摩擦面积很小,这种特征的收集装置可能更好地适用于微风,一旦放在其它风速环境下则效率将极大降低。这是由于现有的TENG风能收集装置都是基于某种固定的结构参数制作而成的,这种固定的俘能装置仅满足一种特定的风速区间,很难在其它区间下保持较高的转换效率,这也极大地限制了微纳能源的收集形式以及能量转换效率。为此,研究更便宜、更高效、更宽风速范围工作的新型风能收集技术对风能的高效收集利用显得尤为关键。

为此,重庆大学王季宇研究团队联合中国科学院北京纳米能源与系统研究所提出一种基于双旋转轴摩擦电纳米发电机(D-TENG)的自供能风能收集系统。D-TENG被设计为一个同心双转轴结构,是由两个不同形状、尺寸和风杯臂长的独立TENG集成,以实现多级能量收集功能。通过合理的结构参数设计,D-TENG伴随风速的提高可以实现连续工作且自动换挡,其集成的两个TENG拥有互补的空气动力学特性和输出性能,使得该自供能系统在更宽的风速范围内保持高效的能量转换效率。同时,文章进一步提出了一种多档位装置(更多旋转轴)的参数优化与组合思路,为制造同心多转轴装置的设计提供借鉴依据。经测试,该双转轴风能收集系统可有效收集2.2-16 m/s风速范围的风能,其启动风速仅为2.2 m/s,切换风速约5-6 m/s。在电气性能方面,其最大开路电压(Voc)为306 V,短路电流(Isc)为32 µA,输出功率为5.2 mW,能够驱动商用传感器和Wi-Fi模块。此外,还测试了容性负载的充放电特性,并通过实际应用证明了分布式传感器间歇供电的可行性。

重庆大学助理研究员王季宇、中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士为论文共同通讯作者。

ToC图:双旋转轴TENG(D-TENG)的结构设计(左上),不同结构参数设计下的D-TENG功率曲线(右上),以及基于D-TENG的自供能系统的组成及工作流程图(下图)

作者简介:

雍顺,重庆大学硕士研究生。2014-2018重庆大学工学学士,主要从事能源互联网感知层终端微纳能源自驱动技术的研究。

王季宇,重庆大学助理研究员,2013年、2019年获得重庆大学电气工程专业工学学士和工学博士学位。主要从事能源互联网感知层终端微纳能源自驱动技术、聚合物功能纳米材料及纳米能源器件的相关研究;2020年度重庆市优秀博士毕业论文;主持国家自然科学青年基金1项,主研国家重点研发计划项目1项,发表AEM,AFM,Acs Nano等高水平SCI论文18篇,总引用数超过375次。

论文信息:

Auto-Switching Self-Powered System for Efficient Broad-Band Wind Energy Harvesting Based on Dual-Rotation Shaft Triboelectric Nanogenerator

Shun Yong, Jiyu Wang,* Lijun Yang, Hanqing Wang, Hao Luo, Ruijin Liao, and Zhong Lin Wang*

Advanced Energy Materials

DOI:10.1002/aenm.202101194

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202101194