香港理工大学 Nano Energy: 风驱摩擦-电磁复合纳米发电机集成太阳能电池应用于自供电自然灾害监测传感器网络

【本文亮点】

1.    成功开发风力驱动的复合能量采集器（WH-EH）用于自供电自然灾害监测。

 2.    完全封装的WH-EH器件与太阳能电池相结合，可以完全隔离恶劣的环境。

 3.    具有成本效益的WH-EH器件充分限度地利用环境能源，可大规模分布在偏远地区。

 4.    WH-EH器件大幅提高了对电容器等能量存储设备的快速充电能力。

 5.    WH-EH器件成功地展示了为微型电子设备和典型的自然灾害监测传感器供电。

【引言】

随着全球气候和环境破坏的不断恶化，全球自然灾害的发生频率越来越高[1]。研究人员认为无线传感器网络（WSN）技术依靠其低成本，快速响应，灵活性和稳定性等独特优势，成为解决该重大挑战的有效和理想的解决方案。据报道，无线传感器网络已成功应用于灾害处理系统，例如环境监测，灾前预测，预警服务和救援。目前的无线自然灾害探测器主要采用传统能源供电方式，如商用电池和布置电网。不幸的是，在热点区域内紧密部署数十亿或数万亿分散式传感器将受到各种严重的布线限制。此外，考虑到商业电池的缺点，诸如使用寿命短，需定期更换以及潜在的环境污染，这些严重的不足表明，需要给在偏远地区的灾害监测传感器提供可持续的便携式电源。

因此，自供电技术已被证实为上述限制的最有希望的解决方案之一，其可以收集环境中的丰富能源并转换成电能。首先，具有丰富和永久性特征的太阳能已被发展为最常见的大规模能量转换技术之一。然而，由于天气不可预测导致的太阳能间歇性特性是其进一步扩展的必然挑战。风能因其明显的生态友好和广泛分布的优点而被视为另一实用型能源。尽管如此，这些能源不会总是同一时间存在，取决于光和天气的条件。因此，设计复合能量采集器对于同时或单独地最大程度地收集环境能量并补偿单一器件的缺点是重要的。传统的风力发电机已经被用于涡轮机上利用电磁（EMG）和压电（PEG）原理来转换机械能。然而，传统的EMG并未在不规则的振幅和低频运动领域得到充分利用，此外，PEG的低输出性能不足以为小型电子器件供电。近年来，摩擦纳米发电机（TENGs）已经被成功研发，其基于摩擦起电和静电感应的耦合效应将机械能转换为电能，它提供了一种从日常运动中获取能量的可行方法，如人体运动，波，风能和振动能量。到目前为止，由于其突出的优点包括组件简单，可靠，可持续，具有成本效益，重量轻和高效等，TENG已经在能量收集，传感器系统，可穿戴电子器件和生物医学器件等领域得到了广泛的探索，但遗憾的是，高压但低电流的不利特性通常限制了TENG的实际应用程度。为了弥补输出强度的缺陷并改善能量采集器的集成，研究人员试图将其他类型的能量采集器与TENG集成，如太阳能电池，PEG，EMG 和热电发电机。其中，TENG和EMG的混合已被证实是机械能量收集的优良方案。作为先进TENG的补充技术，与输出电压相比，EMG具有相对较高的电流。

据报道，先前对风力驱动的复合纳米发电机的研究中，基于旋转盘的和旋转套筒结构的复合纳米发电机在旋转能量收集中可以产生较大功率的输出。然而，这种不具备完全封装结构的器件设计并不适合于大范围安装在偏远地区的严酷环境。尽管此前已有报道称具有全封封装的防水复合纳米发电机可用于水域和恶劣环境，但是器件结构却不能与太阳能电池高度集成。有必要提出一种可同时清除多种可再生能源的复合纳米发电机，实现对周围环境能源的最大化利用，并为自供电系统提供稳定可靠的电力输出，特别是促进自供电灾害检测传感器网络的实际应用。

【成果简介】

近日，香港理工大学教授景兴建教授（通讯作者）课题组在国际顶级能源期刊 Nano Energy 上发表论文“Wind-driven Hybridized Triboelectric-Electromagnetic Nanogenerator and Solar Cell as a Sustainable Power Unit for Self-powered Natural Disaster Monitoring Sensor Networks”，该论文的第一作者为钱金贵。

近几十年来，频繁发生的自然灾害是对人类财产和伤亡的重大威胁。通过增加无线传感器网络的分布，可以非常密切地监视易受灾害的热点区域。然而，定期更换电子设备的电池仍然是一项重大挑战，尤其是在偏远地区。因此，研究人员提出了一种新的策略，将TENG和EMG混合收集风能以及集成商用太阳能电池作为自供电自然灾害监测传感器网络的可持续性供电装置。文章提出了一种简单明了的风驱复合能量收集器（WH-EH）设计，由风力驱动直接引入转子的旋转运动，转子由负摩擦电聚合物薄膜和18个均匀分布的强磁性材料组成；由九个扇形条组成的正摩擦材料安装在器件的圆环框架中，位置对应于具有交叉图案的基底电极。精密制造的线圈填充在两个框架的凹槽中。基于上述制造方法，密封的WH-EH装置可以与恶劣的环境完全隔离。 WH-EH的另一优势是商业太阳能电池的完美组合，以最大限度地提高能源利用效率。此外，通过实验进行了转速和负载阻抗对WH-EH输出影响的系统研究。由于时间消耗的显著减少，复合纳米发电机表现出比单个器件更加优越的充电性能。最后，WH-EH成功演示了用于自供电自然灾害监测系统的实际应用：基于森林火灾探测的温度传感器，基于地震监测的振动传感器和用于紧急报警的无线信息传输系统。显然，复合纳米发电机的发明对于促进自供电无线传感器网络的发展以及为住宅或偏远地区的长期自然灾害监测站提供可持续的电力供应解决方案具有重要意义。

【全文解析】

图1用于无线自然灾害监测的WH-EH方案设计。（a，b）一个典型的WH-EH的功能部件的示意图，主要集成包括摩擦电纳米发电机（TENG）、电磁发电机组（EMG）和防水柔性硅太阳能电池 (W-SC)。（c）TENG的详细放大结构。（d）制造的WH-EH器件，器件尺寸与商业电池进行了比较。（e）半周期中TENG的工作原理图。三个过程说明了短路状态下的电荷分布和发电过程。（f）在不同移动条件下EMG的电流方向和磁通量变化。

图2. TENG的电输出性能。（a，b）TENG在转速为1200转/分时的开路电压曲线和负载电流曲线。标记的部分是仅在一个旋转周期内生成的九个峰值。（c，d）TENG从200rpm到1600rpm的不同转速下的开路电压和负载电流。（e）TENG的输出电压/电流与外部负载电阻之间的关系。（f）输出功率与外部负载电阻之间的关系。当外围电阻为3MΩ时达到最大功率。

图3. EMG的电输出性能。（a，b）单个EMG在转速为1200转/分时的开路电压曲线和负载电流曲线，标记的部分是仅在一个旋转周期内生成的九个峰值。（c，d）单个EMG从200rpm到1600rpm的不同转速下的开路电压和负载电流。（e）在1200转/分，EMG的开路电压和负载电流与线圈-磁铁对数量之间的关系。（f）EMG的输出电压/电流与外部负载电阻之间的关系。

图4 WH-EH和太阳能电池的输出特性和实际演示。（a，b）EMGs，变压的TENG 和 WH-EH 三者之间的整流电压和电流的对比。（c）LEDs和充电电容器的线路图。（d，e）在不同的光强度下，输出电流/功率和太阳能电池的输出电压之间的关系。（f）由TENG、EMGs和WH-EH 分别对10 μF电容进行充电时的测量电压（g，h）EMGs和TENG长期运行的耐久性试验。（i）WH-EH连续点亮数百个LEDs灯。120个LEDs与TENG连接，80个LEDs与EMGs连接。

图5 WH-EH器件被证明可持续供电于自然灾害监测传感器。（a）自供电森林火灾监测传感器网络的实际应用示意图。（b）为温度传感器供电的330 μF电容器的充电和放电特性。（c）无电池的温度传感器可检测和显示森林火灾中的高温。（d）自供电地震监测传感器网络应用原理图，以防止灾后二次损坏。（e）为加速度传感器供电的470 μF电容器的充电和放电特性，加速度传感器具有记录灾害中振动特性的能力。（e）在不同的振动方向下，三轴加速度传感器的输出电压。（g）自供电无线自然灾害监测网络的运行流程图。（h）为无线发射机供电的3 mF电容器的充电和放电特性。（i）WH-EH器件成功驱动了无线监控系统并完成了温度测量、数据处理、实时传输和信号接收等系列操作。

【总结与展望】

研究人员通过由TENG， EMG和太阳能电池集成的风力驱动的复合能量采集器（WH-EH）作为可持续供电装置，巧妙地构建了一个自供电的自然灾害监测传感器网络。 WH-EH在实验系统测量中表现出优异的输出性能，包括在转速为1200 rpm时，TENG在3 MΩ的负载电阻下提供2.13 mW的峰值功率，EMG在10 Ω的负载电阻下提供0.34 mW的峰值功率。WH-EH被证明可以照亮数百个LED并为小型电子器件供电。WH-EH器件成功演示了三个重要的自供电系统，包括用于地震检测的振动传感器和用于森林火灾监测的温度传感器以及用于警报信息传播的无线收发器。此外，考虑到野外环境中的充分照明，将柔性太阳能电池集成到WH-EH装置以同时收集太阳能达到环境能源的最大化利用。该研究进一步推动了复合纳米发电机在机械能量收集和自供电无线传感器监测系统中的实际应用。

【原文链接】

Wind-driven Hybridized Triboelectric-Electromagnetic Nanogenerator and Solar Cell as a Sustainable Power Unit for Self-powered Natural Disaster Monitoring Sensor Networks. 

Nano Energy. 2018. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.07.035

供稿 | 深圳市清新电源研究院

部门 | 媒体信息中心科技情报部

撰稿人 | 景兴建团队

主编 | 张哲旭

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