电磁感应发电机是目前电力供应的主要发电方式，但是电磁感应发电机在低频的条件下输出功率较低，将机械能转化为电能的效率仍有一定的提升空间。利用摩擦起电和静电感应效应，能高效地将低频机械能转化为电能。与单独的电磁和摩擦发电机相比，摩擦电磁混合纳米发电机(E-TENG)具有提供更高电压和更高电流。因此，将摩擦纳米发电机和电磁感应发电机相结合，可以弥补电磁感应发电机在低频下收集能量的不足，而且具有进一步提高能量转化效率的潜在价值。
Hybrid Triboelectric-Electromagnetic Nanogenerators for Mechanical Energy Harvesting: A Review
João V. Vidal*, Vladislav Slabov, Andrei L. Kholkin*, Marco P. Soares dos Santos
Nano-Micro Letters (2021)13: 199
https://doi.org/10.1007/s40820-021-00713-4
本文亮点
1. 提供了用于摩擦电磁混合纳米发电机的最新综述。
2. 对旋转、钟摆、线性、滑动、悬臂、柔性叶片、多维和磁电混合技术进行了全面分析。
3. 摩擦电磁混合纳米发电机在小规模和大规模供电方面具有潜在的应用。
内容简介
葡萄牙阿威罗大学Andrei L. Kholkin和João V. Vidal等在本文中对电磁-摩擦电振动能量收集领域的近期重大突破进行了全面回顾。对包括旋转、摆、线性、滑动、悬臂、柔性叶片、多维磁电以及混合技术进行了详细分析。此外，本综述首次系统地深入分析了新兴摩擦电磁混合纳米发电机技术的重大突破，重点介绍了理论转换机制、结构设计和应用以及未来展望。
图文导读
I 转导机制模型
图1. 基于摩擦电效应和静电感应的组合现象的接触分离TENG的工作循环示意图。
图2. TENG的四种操作模式，包括垂直接触分离、横向滑动、单电极和独立层模式。
1.2 电磁纳米发电机(EMGs)的工作机制
EMG是目前最常用的发电机类型，基于电磁感应现象或通过变化的磁通量在线圈中产生电动势。由电流驱动的永磁体或线圈用于产生静态或随时间变化的磁场。然后，通过随时间变化的磁场或其相对于磁场线的运动或变形在线圈中感应电动势。根据楞次定律，所产生的电流会产生与磁通量变化相反的磁场，从而通过动量守恒产生与其相对运动(即阻尼)相反的力。
E-TENG的设计配置至关重要，因为它显著影响发电效率、机械输入类型(旋转、平移或任意)以及输入幅度和频率的操作范围。EMG和TENG两个系统使用不同的架构进行集成，并针对不同类型的机械输入，包括旋转、线性和多维运动。
2.1 旋转发电机
图4. 基于旋转架构的混合E-TENG技术。
图5. 基于钟摆架构的混合E-TENG技术。
图6. 基于线性架构的混合E-TENG技术。
图7. 基于滑动架构设计的混合E-TENG技术。
图8. 基于悬臂架构设计的混合E-TENG技术。
图9. 基于灵活架构的混合E-TENG技术。
图10. 基于多维架构设计的混合E-TENG技术。
2.8 磁电发电机
图11. 混合磁-机械-摩擦电技术。
不同类型的混合E-TENG技术的特点：
(1) 旋转E-TENG特别适合从水流和风流中获取能量。
(2) 钟摆发生器与重力势能和动能之间的有效转换相关。
(3) 具有线性结构的发电机可用于从各种振动源收集能量，包括生物力学、过往车辆、工作机械和蓝色能源。
(4) 滑动发生器类似于线性发生器，尽管它们需要更大的横截面积与长度之比，并且大多对横向滑动或类似剪切的运动敏感。
(5) 悬臂形发生器能够提供低频尖锐共振峰，以及沿结构长度的大应变和应力。
(6) 柔性叶片发电机包括薄的柔性板，它们对微弱的气流很敏感，因此非常适合收集气流能量。
(7) 多维发电机能够从各种运动和振动源中提取动力。磁电发电机能够将机械能和磁场能量转换为电能。
IV 结论与展望
作者简介
本文通讯作者
铁电薄膜和纳米结构的加工、表征和应用；铁电体和相关材料的介电、压电和铁电特性；能量收集和存储材料；传感器和执行器、MEMS、智能系统；铁电聚合物、生物铁电体和仿生极性材料。
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撰稿：原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
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