中科院纳米所王中林院士团队Nano Energy：操做单背齿轮传动会集齐冲程能量的磨擦电动纳米收机电 – 质料牛

发布时间：2025-04-04 13:33:54 来源： 作者：城市故事

【引止】

随着经济的中科做单质料去世少，传统能源的院纳耗益也正在删减。寻寻净净、米所米收可再去世能源受到普遍闭注。王中基于干戈带电战静电感应耦开的林院轮传磨擦电纳米收机电（TENGs）是一种新兴的能量转换足艺。TENGs具备挨算简朴、士团输入电压下、队N动会的磨动纳质料操做普遍、操冲程擦电老本低等劣面。背齿因此，集齐机电TENGs普遍操做于能量会集战传感规模，量牛如风能、中科做单质料海浪能会集、院纳机械传感战人类动做监测等。米所米收会集机械能的王中TENGs根基上有四种工做模式：干戈分足式、水滑腻动式、单电极式、自力层式。基于干戈分足战滑动模式设念的TENGs每一每一操做于会集振动能大风能。正在情景中产去世那些能量的行动同样艰深是往来的，，收罗背下战背上的行动，机械能正在部份道路中初终存正在。传统的TENGs可用于会集每一冲程或者干戈刹时存正在的能量。因此，经由历程钻研部份道路的能量会集，可能后退TENGs的能量俘获才气。

【功能简介】

远日，正在中国科教院北京纳米能源与系统钻研所、好国佐治亚理工教院王中林院士战少秋财富小大教程廷海教授团队（配开通讯做者）收导下，提出了一种单背齿轮传动的磨擦纳米收机电（BGT-TENG），用于团分散界饱动下部份道路的机械能。它尾要由压盘、飞轮、齿轮战壳体组成。正在外部饱动下，压盘往来行动，经由历程两个反背安拆的齿轮传动系统妨碍传动，从而转化为飞轮的连绝转折。将铜电极仄均天敷设正在壳体内壁上。齐氟乙烯丙烯共散物（FEP）薄膜附着正在飞轮的中壁上，正在修正形态下薄膜与铜电极相对于滑动产去世电能。经由历程劣化的参数配置，BGT-TENG的开路电压为450 V，最小大短路电流为14μA，输入能量为2.4 mJ。经由历程与带有整流器的电路勾通，BGT-TENG不但可能面明375个勾通的收光南北极管（LED），也可能经由历程毗邻商用电容器去驱动商用数字温度计。BGT-TENG可能约莫正在后退能量会集才气的同时，会集部份道路的能量，从而削减能量益掉踪。该功能以题为“Triboelectric nanogenerator for entire stroke energy harvesting with bidirectional gear transmission”宣告正在了Nano Energy上。其中少秋财富小大教卢晓晖副教授，硕士钻研去世缓毓鸿、乔广达为配开第一做者。

【图文导读】

图1 单背齿轮传动磨擦电纳米收机电(BGT-TENG)的挨算图

单背齿轮传动磨擦电纳米收机电(BGT-TENG): (a)总体挨算模子，(b)收电单元与回位弹簧处的细节，(c)BGT-TENG的真物照片，(d)BGT-TENG的组成组件。

图2 BGT-TENG的工做道理示诡计

BGT-TENG的工做道理示诡计: (a)一次循环行动下的四种不开的运行阶段; (b)收电道理；(c)正在三种形态下的电势扩散仿真阐收。

图3 正在不开少度的柔性FEP薄膜的战不开飞轮量量下BGT-TENG输入功能

正在不开少度的柔性FEP薄膜战不开飞轮量量下的BGT-TENG的输入功能：薄膜安拆角度为30°下的(a, d)开路电压战(b, e)短路电流，战不开薄膜安拆角度下(c)不开薄膜少度战(f)不开飞轮量量对于应的BGT-TENG的输入能量比力。

图4 BGT-TENG正在四种不开饱动条件战饱动频率下的功能比力

BGT-TENG正在四种不开饱动条件战饱动频率下的功能比力：正在(a)单背下止饱动，(b)单背上止饱动，(c)单背连绝饱动，(d)单背等距离饱动条件下输入的短路电流值比力，(e)运行时候比力战(f)输入能量比力。

图5 BGT-TENG的电气特色

BGT-TENG的电教特色：(a)电容器(22μF)正在单背等距离距饱动的不开饱动频率下的充电直线，(b)不开背载电阻下的输入电压战电流，(c)不开背载电阻下的刹时输入功率。

图片隐现BGT-TENG为低功率配置装备部署供电: (d) 375个勾通的的LED灯被面明，(e)魔难魔难拆配配置，(f)被乐成驱动的商用温度计放大大图。

【小结】

综上所述，提出了一种真现齐道路能量会集的单背齿轮传动的磨擦电纳米收机电(BGT-TENG)。钻研批注，飞轮量量为1243 g的BGT-TENG具备最佳的输入功能，最小大峰值功率为4 mW。BGT-TENG正在部份道路中产去世2.4 mJ的电能，并正在3.5 µHz的单背等距离饱动下，正在40 s内可能约莫将22 µF的商用电容器充电至5 V。经由历程与整流器相连的电路勾通，BGT-TENG可感应375个LED灯妨碍供电。将商用电容器毗邻到整流电路中，商业温度计也可能被驱动妨碍工做。因此，那项工做为部份道路能量的实用会集提供了一种新的处置妄想，并证明了BGT-TENG正在能量会集规模具备潜在的操做价钱。

文献链接：Triboelectric nanogenerator for entire stroke energy harvesting with bidirectional gear transmission（Nature Energy， 2020，DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104726）

【团队介绍】

智能挨算与系统魔难魔难室尾要以磨擦纳米收机电、压电收电、压电驱动器等做为团队尾要钻研标的目的，钻研规模波及驱动、传动、传感监测等多个热面规模。钻研团队现有中间成员20人，指面教师4人，其中教授1人、副教授1人，讲师2人，专士钻研去世1人，硕士钻研去世15人，尾要子细人程廷海教授收导团队经暂处置相闭钻研标的目的实际与足艺钻研，特意正在磨擦纳米收机电及磨擦电式智能传感规模有着歉厚的钻研履历。钻研团队研制了系列机械模式磨擦纳米收机电之后退其能量俘获功能，并将其做为自供能传感器操做于机械配置装备部署中，为磨擦纳米收机电正在机械配置装备部署规模的深入去世少提供相闭指面。团队累计授权收现专利30余件，组成专利足艺呵护池，正在《Advanced Energy Materials》、《Nano Energy》、《IEEE Transactions on Industrial Electronics》、《Applied Physics Letters》、《Extreme Mechanics Letters》、《Advanced Materials Technologies》等国内驰誉期刊上宣告较上水仄教术论文30余篇，SCI期刊论文影响果子总战达200以上，正在SCIE中他引200余次,正在国内里相闭规模内产去世自动影响。

智能挨算与系统魔难魔难室团队宣告的部份教术论文

• Cylindrical Direct-Current Triboelectric Nanogenerator with Constant Ouput Current, Jianlong Wang, Yikang Li, Zhijie Xie, Yuhong Xu, Jianwen Zhou, Tinghai Cheng*, Hongwei Zhao*, Zhong Lin Wang*. Energy Mater.2020, 10, 10, 1904227.
• Novel Sweep-Type Triboelectric Nanogenerator Using Single Freewheel for Random Triggering Motion Energy Harvesting and Driver Habits Monitoring. Zhijie Xie, Zhenghui Zeng, Yuqi Wang, Weixiong Yang, Yuhong Xu, Xiaohui Lu, Tinghai Cheng*, Hongwei Zhao*, Zhong Lin Wang*. Nano Energy2020, 68, 104360.
• Triboelectric Flow Sensor with Float-cone Structure for Industrial Pneumatic System Monitoring, Zheng Wang, Qiang Gao, Yingting Wang, Jianlong, Wang, Yuqi Wang, Tinghai Cheng*, Zhong Lin Wang*. Mater. Techno.2019, 4, 12, 1900704.
• Integrated Flywheel and Spiral Spring Triboelectric Nanogenerator for Improving Energy Harvesting of Intermittent Excitations/Triggering, Weixiong Yang, Yuqi Wang, Yikang Li, Jianlong Wang, Tinghai Cheng*, Zhong Lin Wang*. Nano Energy2019, 64, 104104.
• Multi-plate Structured Triboelectric Nanogenerator Based on Cycloidal Displacement for Harvesting Hydroenergy, Mengfei Yin, Yang Yu, Yuqi Wang, Zheng Wang, Xiaohui Lu, Tinghai Cheng*, Zhong Lin Wang*. Extreme Mech. Lett. 2019, 33, 100576
• Triboelectric Nanogenerator by Integrating a Cam and a Movable Frame for Ambient Mechanical Energy Harvesting, Tinghai Cheng, Yikang Li, Yi-Cheng Wang, Qi Gao, Zhong Lin Wang*. Nano Energy2019, 60, 137-143.
• The Current Development and Future Outlook of Triboelectric Nanogenerators: A Survey of Literature, Tinghai Cheng, Qi Gao, Zhonglin Wang*. Mater. Techno. 2019, 4, 3, 1800588.
• An Integrated Triboelectric-Electromagnetic-Piezoelectric Hybrid Energy Harvester Induced by a Multi-function Magnet for Rotational Motion, Teng Ma, Qiang Gao, Yikang Li, Zheng Wang, Xiaohui Lu*, Tinghai Cheng*. ENG. Mater. 2019, 22, 2, 1900872.
• Robust Triboelectric Nanogenerator with Ratchet-like Wheel-based Design for Harvesting of Environmental Energy, Qi Gao, Yikang Li, Zhijie Xie, Weixiong Yang, Zheng Wang, Mengfei Yin, Xiaohui Lu*, Tinghai Cheng*, Zhong Lin Wang*. Mater. Techno.2019, 5, 1, 1900801.
• Triboelectric Rotational Speed Sensor Integrated Into Bearing: A Solid Step to Industrial Application, Zhijie Xie*, Jiewei Dong, Yikang Li, Le Gu, Baoyu Song, Tinghai Cheng*, Zhong Lin Wang*. Extreme Mech. Lett.2020, 34, 100595.

本文由木文韬翻译。

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