Nano Energy观点：用于自然风能稳定俘获的重力摩擦纳米发电机- 大数跨境

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Nano Energy观点：用于自然风能稳定俘获的重力摩擦纳米发电机

科学材料站

2021-01-05

导读：该文章分析了当前TENG在进行自然能量俘获时产生不稳定电流的原因，并汇总了近期在此类TENG输出不稳定性问题上的研究进展。

文章信息

用于自然风能稳定俘获的重力摩擦纳米发电机

单位：中国科学院北京纳米能源与系统研究所

研究背景

摩擦纳米发电机（TENG）作为一种新型的可再生能源技术，已被证实是一种将机械能转化为电能的有效方法。其中，电流的稳定性是衡量发电机输出的一项重要指标。

基于TENG的工作原理，其输出电流极易受到外界激励影响。这导致在俘获自然能量时TENG输出的电流不稳定。这种不稳定的输出难以保证电子模块正常工作，甚至会损坏电子设备。因此，迫切需要一种方法提升TENG的输出稳定性，使TENG在能量俘获领域能够得到更好的应用与发展。

文章简介

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Gravity Triboelectric Nanogenerator for the Steady Harvesting of Natural Wind Energy”的文章。

该文章分析了当前TENG在进行自然能量俘获时产生不稳定电流的原因，并汇总了近期在此类TENG输出不稳定性问题上的研究进展。在这些研究的基础上，利用重力恒定不变的特点，提出了一种将无规则机械能转化为稳定电能输出的重力摩擦纳米发电机（G-TENG）。

图1. 重力摩擦纳米发电机（G-TENG）的外观设计及机械结构间的联动关系.

本文要点

要点一：利用重力实现自然风能的稳定俘获

图2. 重力摩擦纳米发电机的受力分析

为了使无规则的机械能转化为稳定的电能输出，常见的实现方式是利用弹簧来存储机械能并随后释放。但由于弹簧在释放能量的过程中，弹力是变化的，因此无法控制TENG发电单元的动子保持匀速运动。

然而本文提出的重力摩擦纳米发电机（G-TENG）利用重力恒定不变的特点，能够先将无规则的机械能以重力势能的形式储存。随后在发电过程中将利用重力势能使发电单元动子匀速运动，将其转化为稳定的电能输出。

要点二：定义了TENG短路电流峰值波动强度（IFD）概念

为了客观的描述摩擦纳米发电机（TENG）输出电流的稳定性，本文定义了“短路电流峰值波动强度（IFD）”。IFD通过短路电流峰值及一个运动周期内的发电时间共同计算得出，可以客观的描述TENG的输出稳定性。IFD具有重要意义，尤其在自然能量俘获领域。通过计算，本文提出的重力摩擦纳米发电机（G-TENG）的IFD为2.3%。

要点三：在随机的风速下可以使LED灯板稳定发光

图3. 重力摩擦纳米发电机与常规摩擦纳发电机的对比结果，及俘获自然风能的照片

本文对比了常规的摩擦纳米发电机（Normal TENG）与重力摩擦纳米发电机（G-TENG）的输出性能。在实验室模拟的随机风速下，Normal TENG驱动的LED灯板发光不稳定，难以正常工作。而G-TENG可以使LED灯板稳定发光，并能正常工作。

要点四：前瞻

摩擦纳米发电机（TENG）作为一种从环境中收集能量的有效方法，受到了广泛的关注。目前研究人员利用不同的方法，特别是将TENG与各种机械结构进行结合，来提升TENG俘获自然能量的能力。主流的机械模式TENG包括机械增频式、间歇能量收集式和机械调控模式。这些机械模式TENG能够很好的收集自然界的机械能并转化为电能输出。但是，TENG输出电流的不稳定问题一直没有得到很好解决。

本文基于TENG的基本原理，分析了TENG的输出电流与发电单元的动子速度的关系，进而通过控制发电单元动子的速度来解决TENG输出电流不稳定问题，为TENG在自然能量俘获领域中的应用与发展提供了重要借鉴。

文章链接

“Gravity Triboelectric Nanogenerator for the Steady Harvesting of Natural Wind Energy”

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105740