NML综述 | 葡萄牙Kholkin教授等:收集机械能量的摩擦电磁混合纳米发电机

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. 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

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。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

1.1 摩擦纳米发电机(TENGs)的工作机制
TENGs的运行机制是基于摩擦起电和静电感应效应的综合现象。静电感应包括由高斯定律描述的相反符号的摩擦静电电荷的物理分离产生的电力和电场在物体上感应的电荷的重新分布。摩擦起电效应是由于两种物理接触的不同材料表面上的静电荷转移所致。

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。

图3. 基于电磁感应现象的线性磁铁/线圈EMG工作循环的示意图。
II 摩擦电磁混合纳米发电机(E-TENGs)设计和应用

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。

2.2 摆式发电机

图5. 基于钟摆架构的混合E-TENG技术。

2.3 线性发生器

图6. 基于线性架构的混合E-TENG技术。

2.4 滑动发电机

图7. 基于滑动架构设计的混合E-TENG技术。

2.5 悬臂式发电机

图8. 基于悬臂架构设计的混合E-TENG技术。

2.6 灵活的叶片发电机

图9. 基于灵活架构的混合E-TENG技术。

2.7 多维生成器

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。

III 各种E-TENG设计的比较

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

这篇综述深入而系统地探讨了在机械能量收集的摩擦电磁混合纳米发电机领域内已经取得的最新相关的突破。提出了摩擦纳米发电机(TENGs)和电磁纳米发电机(EMGs)的理论转导机制模型。分析了不同类型的混合E-TENG的结构设计以及相应的机电特性和应用。混合E-TENG可以利用其理想的互补高电压和高电流特性以及更宽的工作带宽,提供更有效的振动能量转换。TENG能够有效地从低频(< 1 Hz)和低幅度(< 1 mm)动能中收集电能,提供大输出电压。E-TENG还可以串联或并联连接,或独立使用,以输出高电压或电流,以满足特定应用的定制要求和适用性。
作者简介

Andrei L. Kholkin

本文通讯作者

葡萄牙阿威罗大学 教授

主要研究领域

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。

Email: kholkin@ua.pt

个人主页

www.ciceco.ua.pt/Kholkin
撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报(英文)》编辑部

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