《AFM》：交变磁场增强型冲突纳米发电机完成低速风能搜集！

  环境污染和动力危机问题激发了人类对可继续动力日渐增加的巴望。风电和水力发电因为储量大、无污染，作为可继续动力得到了广泛的研讨和使用。此前，风电和水电依托电磁发电技能，需求高流量才干发电。传统的风能搜集设备针对高风速（5 m s−1）进行了优化，这样的一种状况仅在少量区域或高海拔区域都会存在。因而，许多区域和低海拔区域的低速风能仍未得到充分使用。但是，广泛的低速风能或水流能有望处理物联网传感器的供电问题，是一种亟待开展的散布式可继续动力。因而，需求立异的能量搜集办法来有用使用这种低速活动能量并战胜相关应战。才智农业和才智城市中蕴藏着丰厚的和风和河流等低速活动动力，作为一种没有开发的可继续动力，在高效搜集方面面临着严重应战。

  来自中国科学院北京纳米动力与纳米体系研讨所的学者提出了一种用于低速活动能量搜集的交变磁场增强冲突纳米发电机（AMF-TENG），并经过试验成果证明了其可行性。AMF-TENG的最小切入速度为1 m s−1，然后大大扩展了其风能搜集规模。当风速为1~5 m s−1时，开路电压（VOC）为20.9~179.3 V。5 m s−1时峰值功率为0.68 mW。在 100 K 循环的耐久性测验中，VOC 从 188.4 V 下降到 174.2 V，但仍保持在初始值的 92.5%。此外，AMF-TENG能够从自然环境中搜集低速活动能量，为智能农业中的温度和湿度传感器以及无线光强度传感器供给动力。这项研讨为散布式使用中的低速流能量搜集供给了一种有远景的办法。与之相类似的文章以“Alternating Magnetic Field-Enhanced Triboelectric Nanogenerator for Low-Speed Flow Energy Harvesting”标题宣布在Advanced Functional Materials。

  图1.交变磁场增强冲突纳米发电机（AMF-TENG）的结构和安培力驱动发电单元的原理。a) 用于低速流能量搜集的AMF-TENG结构展现。b) 交变磁场驱动发电机组振荡的原理。c) 线圈安培力效果下振荡器的四种典型作业状况

  图 2. 交变磁场增强冲突纳米发电机 (AMF-TENG) 的作业原理和仿真。a) AMF-TENG 的四个典型方位。b) COMSOL模仿的AMF-TENG空间电场。c) 选用COMSOL模仿磁体基体的空间磁场。d) 线圈平面内的磁场散布。e) 笔直于磁体中心的磁通量的改变。f) 当磁铁在旋转过程中挨近线圈时用高速相机拍照的方位改变的相片

  图 3. 交变磁场增强冲突纳米发电机 (AMF-TENG) 结构参数优化。a) 压力检测体系示意图。b) 振荡器受力剖析。c) AMF-TENG中的静电吸附力测验。d) 转速对振荡器电压、电流、压力和振幅的影响。e) 剖析磁铁到线圈间隔对 AMF-TENG 的影响。f) 磁铁尺度改变对振荡器的影响。

  图4.发电机组输出功能测验。a) LinMot 构建的发电单元测验渠道。b) 发电单元中两个电极的相片。c) 电极资料的影响。d) PTFE 薄膜厚度对输出功能的影响。e) 具有间隔间隔的发电机组输出测验。f) 触摸频率对发电机组功能的影响。g)不同频率下发电单元电压信号的FFT。h) 频率拟合剖析。

  图 6. 交变磁场增强冲突纳米发电机 (AMF-TENG) 在智能农业中的自供电传感使用。a）AMF-TENG在农业和风环境中的使用概念。b) AMF-TENG 外接不同负载。c) 本研讨与前人作业比较的切入速度。d) AMF-TENG 以 1 m s−1的速度对不同容量的商用电容器充电。e) AMF-TENG 在 316 秒内以 1 m s−1将330 μF 的商用电容器充电至 1.5 V。f) AMF-TENG 以 1 m s−1点亮温度和湿度传感器。g) 根据AMF-TENG的无线光强传感体系。h) 无线光强传感演示

  总归，本研讨提出了一种根据安培力的 AMF-TENG，用于高效的低速活动能量搜集和自供电传感。AMF-TENG是一种根据耦合线圈和磁体电磁感应、冲突起电和静电感应效应的机电能量转化的高效低速风能搜集战略，使TENG能够搜集低至1 m s−1的风能。在外部磁场的运动下，线圈发生感应电流，因为电流的磁效应和外部磁场的效果而发生安培力，安培力驱动笔直触摸别离TENG。因为线圈中的电流跟着转速的下降而减小，AMF-TENG在低速旋转时遭到的阻力也会减小，因而能完成低速风能（1 m s−1）的搜集，即大大拓宽了TENG中的风速规模。在风速为 1 至5 m s−1时，AMF-TENG 的 VOC 为 20.9 至 179.3 V。接连运转10万个循环后，AMF-TENG电压保持在92.5%左右。330 μF 的电容器能够在 1 m s−1的时间内充电至 1.5 V。根据AMF-TENG，规划了才智农业中的自供电传感使用，完成自然环境中的低速风力搜集，为农业温湿度传感器和无线光强传感器供电。这项研讨为低空、低速风能搜集供给了一种新战略。（文：SSC）