摩擦纳米发电机基础研究和技术创新进展

摩擦纳米发电机（TENG）是一项新兴的实现机电能量转换的平台技术，在人工智能、物联网和高熵能源等多个领域都有巨大的应用潜力。近10年来，通过世界范围内的广泛努力，TENG的相关研究取得了长足的进步。综述了TENG在基础研究和技术创新2个方面的代表性进展；讨论了提高TENG输出性能的最新策略和方法；总结了TENG在不同领域的应用研究进展，并对TENG研究面临的挑战和机遇进行展望。     

摩擦纳米发电机表面电荷密度研究进展

 纳米摩擦发电机可以收集环境中不同形式的机械能，在自驱动系统、物联网和蓝色能源等方面具有巨大的潜在应用价值。作为能量器件，纳米摩擦发电机的实际应用在于进一步提高功率输出，其核心在于提高摩擦电荷密度。介绍了提高摩擦表面电荷密度的技术方法，综述了提高摩擦纳米发电机电荷密度的研究进展。同时，以接触-分离模式的摩擦纳米发电机为例，探索了摩擦表面电荷密度的影响因素和改进措施，以为实现摩擦纳米发电机超高电荷密度提供新的研究方向。     

基于摩擦纳米发电机的自供能发光地板系统

为保证物联网中承担着信息采集与传输等重要任务的传感器持续、稳定、免维护地工作,其中一种解决方案为收集广泛分布在环境中的振动机械能,构建自供能系统。而摩擦纳米发电机(TENG)作为机械能俘获技术之一,在收集低频无规则振动机械能方面具有更高的能量转换效率。因此,针对人行走时产生的振动机械能,设计并制作了硅胶半球支撑的接触分离式TENG。该TENG器件在1 Hz频率下的开路电压峰值为348 V,短路电流峰值为7.7μA,外接40 MΩ电阻时瞬时功率可达265μW,将它与树脂浇筑构建的硬质板面集成,则可实现自供能发光地板系统,能够在不同人流量的条件下正常工作。该发光地板可应用于人群密集的商场、步行街、游乐园等场所。     

生命不止,能量不息——植入式摩擦纳米发电机的研究与应用

 2012年,研究人员提出了一种将机械能转化为电能的摩擦纳米发电机（TENG）,该技术近年来得到了飞速发展,实现了对人体运动能、风能、声波能、海洋能等各种机械能的收集。其中植入式摩擦纳米发电机（iTENG）可将生物体内的心跳、呼吸肌运动等生物机械能转化为电能并驱动有源植入式医疗器件,可显著提高可植入式医疗器件的使用寿命,在未来植入式医疗行业中有着潜在的应用前景。本文综述了iTENG的结构、工作原理、输出性能及其在有源植入式医疗器件供能应用等方面的最新研究进展,并在此基础上进一步分析iTENG应用到临床治疗所面临的挑战。     

“绿色”电化学阴极保护研究进展

电化学保护技术是一种有效、可靠、成熟的金属腐蚀控制技术,已广泛地应用于海洋、土壤、混凝土、石化、水介质等环境的金属构筑物腐蚀防护.然而传统阴极保护存在消耗能源、浪费资源、环境污染等问题,如何充分利用太阳能、自然机械能等作为自供电系统用于金属的电化学保护,引起了科学家的广泛兴趣和探索.本文综述"绿色"电化学阴极保护技术的最新研究进展:阐述了光生阴极保护的原理、保护模式、半导体光阳极的纳米结构、光电性能及光生阴极保护特性,指出光生阴极保护技术存在的技术难题及发展方向;同时简要介绍基于摩擦纳米发电机(TENG)的电化学阴极保护技术的特点与优势,总结了近年来TENG阴极保护技术的研究进展,并展望TENG阴极保护技术的应用前景.最后对上述两种"绿色"电化学阴极保护技术的优缺点及综合应用进行评述.     

摩擦生电有大用

中国科学院北京纳米能源与系统研究所的首席科学家王中林院士带领的研究团队,成功研发了"摩擦纳米发电机"这一新能源技术。这种全新的能源供给方式,可以随时随地利用我们身边看似"闲散"的能量,转化为有效的电能输出,驱动电子设备工作。可以说,一举一动皆可发电。     

磁控形状记忆合金振动发电机原理及建模方法研究

在能源日益缺乏的今天,环境中普遍存在的振动能量成为很多科技工作者新的能源资源。重点研究磁控形状记忆合金(magnetic controlled shape memory alloy,MSMA)振动发电机的建模问题。为了充分利用MSMA变形率大、易于控制、可逆效应输出感应电压大的特点,提出了利用MSMA的维拉利效应收集振动能量的发电机原理。通过分析MSMA马氏体相变特性和磁畴运动模式,利用吉布斯自由能函数,建立了MSMA振动发电机的数学模型,求出在磁场和振动力共同作用下振动发电机感应电动势与磁化强度和应变量的数学关系。分别分析了外加振动力、施加磁场、振动频率变化时对发电机输出电压的影响。仿真结果验证了利用MSMA合金制作微型振动发电机的可行性及数学模型的正确性。     

由随机振动所驱动的纳米发电机 ——从无序中提炼出有序

研究了由超声波驱动的直流纳米发电机的发电原理,该发电机是一个无序能量收集器,能把纳米尺度的无规则或无序的微小机械能转变成有秩序的电能,即该纳米发电机是一个能把混乱整理成秩序、能从无序中提炼出有序的装置.计算了随机振动噪声所引起的纳米发电机输出的直流电流大小,在一定的条件下,这种纳米发电机的输出电流大小可以达到240 nA且可以由实验来测量的.     

摩擦发电机在微弱能量收集中的应用

新型的摩擦发电机是基于摩擦起电效应和静电感应相互耦合的能量转换设备,是一种可持续的、稳定的、绿色的能源供给方式。当摩擦发电机应用于各种微弱环境能量的收集时,其器件结构需要精心地设计,以满足灵敏度和效率的要求。概述了多种适用于微弱能量条件的摩擦发电机设计,分析了其工作原理与应用场景,展望了该技术未来在人体健康监测与医疗设备的发展、可持续电子系统的建立以及安全预警设备的完善等方面应用的前景。     

密封式可穿戴摩擦电传感器件的制备与性能优化

以尼龙织物为基底材料和正摩擦材料,聚氨酯(PU)为负摩擦材料,聚二甲基硅氧烷(PDMS)为密封材料,导电银浆为电极层,在负摩擦层和电极层之间添加聚酰亚胺(PI)薄膜作为增强层,设计并制备一种基于摩擦纳米发电机(TENG)的气囊式可穿戴摩擦电传感器.利用扫描电子显微镜和电子示波器对该柔性器件的微观结构与输出性能进行表征,...     

Triboelectric nanogenerator as a new technology for effective PM2.5 removing with zero ozone emission

Particles matters (PMs) have raised serious concerns due to their great impact on human health. Coupling triboelectric effect and electrostatic induction, triboelectric nanogenerator (TENG) has demonstrated as a practical sustainable power source for portable devices. The characteristics of TENG, such as high electric field and high output power, make it a promising technology in air cleaning applications. Here, the mechanism of the TENG and its application in self-powered air cleaning technologies are reviewed. Using the TENG as a voltage source, a self-powered air cleaning system for removing SO₂ and PMs is developed; and the removal efficiency of nanofiber filters is greatly enhanced due to electrostatic attraction. More importantly, the technology is not only most effective for removing nano-scale particles that cannot be effectively filtered using conventional fiber-film filters, but also produces no ozone emission. Besides being an independent power supply, a vibration TENG based triboelectric filter is designed to effectively capture the PMs from automobile exhaust fumes. Hence, the TENG demonstrates its great potential in self-powered air cleaning applications.     

摩擦纳米发电机在自驱动智能交通系统的应用研究进展

 摩擦纳米发电机具有供电和高灵敏度传感的双重功能,能够在自驱动智能交通系统中发挥重要作用。综述了近年来摩擦纳米发电机在公路及铁路智能交通系统中的应用,包括车辆检测、尾气处理、振动能收集、风能收集等,分析了摩擦纳米发电机在智能交通系统应用过程中存在的挑战,展望了摩擦纳米发电机在材料、信息、电子、机械、交通等多学科交叉的发展趋势。     

用于提高电网中风电渗透率的混合储能容量优化分析

为提升电网中风电渗透率,通过提出由电池、超级电容器和抽水蓄能构成的混合储能系统,构建缓和风电并网时不稳定性的双层容量优化模型。首先,提出了风电典型场景和极端场景的提取方案,获得充分逼近原风电出力场景的场景集合。然后,使用小波包分析法,配置电池和超级电容器的容量用来平抑风电功率波动,并在电力系统中利用抽水蓄能进行削峰填谷,建立双层混合储能容量优化模型对储能容量进行优化。最后,利用某风电场一年输出功率数据,对改进的 RTS-96 系统进行仿真验证并分析。算例结果表明：建立的双层混合储能容量优化模型在确保经济性的条件下提升了风电渗透率。     

压电-电磁复合式俘能器的归一化机电耦合模型与分析

针对设计的压电-电磁复合式俘能器,建立其归一化机电耦合模型,利用数值计算和实验测试分析在不同耦合强度下俘能器的振动特性和输出功率. 研究结果表明,在谐振频率点处,当负载匹配时,俘能器的输出功率最大;随着耦合强度增大,俘能器的输出功率、俘能带宽、谐振频率点偏移值也增大. 对于弱耦合和强耦合,复合式俘能器的输出功率大于基于单一俘能机理的压电式或电磁式俘能器的输出功率. 此外,复合式俘能器的最佳负载电阻与耦合效应的强度有关.     

混合型电容器研究进展

混合型电容器是一种介于超级电容器和二次电池之间的新型储能装置,是现代电子、交通等行业理想的动力电源.根据电极组合的不同,将混合型电容器分为以下三种类型,它们分别是双电层电容器电极与法拉第电容器电极的组合、传统二次电池电极与双电层电容器电极的组合以及电解电容器的阴极与超级电容器电极的组合.混合型电容器与传统超级电容器相比,在能量密度和工作电压上均得到了较大的提高.着重介绍几种性能优异的混合型电容器及其未来的发展趋势.     

挖掘机混合动力系统部件装机功率设计方法

合理设计挖掘机混合动力系统部件装机功率不仅可以满足挖掘机动力性能和操纵性能的需要,而且有助于降低动力系统各部件的装机功率.分析了混合动力系统各部件间的能量传递过程,查明了柴油机用于直接拖动负载的输出功率对混合动力系统部件装机功率的作用规律,提出了挖掘机混合动力部件装机功率设计方法,给出了混合动力系统各部件装机功率的计算公式.以7T混合动力挖掘机为例,对其混合动力系统各部件的装机功率进行了计算.计算结果表明:所提出的设计方法可用于混合动力系统各部件装机功率的计算;所提出的设计方法可用于不同结构混合动力系统部件装机功率的设计.     

基于扩展Nataf变换的交直流混合系统概率潮流计算方法

随着新型电力系统高比例新能源与高比例电力电子化的“双高”特征日益凸显,交直流混合已成为中国电力系统的典型特征。伴随着可再生能源出力的随机性,交直流混合系统的潮流也表现出随机性。为此,提出一种基于扩展Nataf变换和拉丁超立方采样的交直流混合系统概率潮流计算方法。首先,建立适用于概率潮流计算的交直流混合系统潮流模型。同时,针对Nataf变换无法处理源荷相关系数矩阵非正定的情况,采用一种基于奇异值分解的扩展Nataf变换,并结合拉丁超立方采样进行交直流混合系统的概率潮流计算。此外,针对传统Gram-charlier级数存在节点电压幅值等状态变量概率为负值的情况,提出一种C型Gram-charlier级数以解决该问题。最后,在改进的57节点交直流混合系统中验证了所提方法的有效性。     

大规模 MIMO 蜂窝网与 D2D 混合网络物理层安全性能研究

随着量子计算机等计算设备的飞速发展,传统的加密技术正面临着挑战;由于物理层安全充分利用了无线信道的特性,其被认为是一种有效的解决方案.为此,提出了一种安全的混合网络模型,其中,端到端(device-to-de-vice,D2D)网络覆盖于大规模多入多出(multiple-input multiple-output,MIMO)宏蜂窝之上,被动的恶意窃听者(eavesdropper,Eve)能够窃听所有的无线信道;同时,为了提高能量效率,D2D发射机不仅可以从专用的PB(powerbeacon)收集能量,还可以从附近的射频干扰信号中收集能量.对此混合网络模型,假设所有网络元素的位置都服从独立泊松点过程,利用随机几何,得到了任一D2D发射机采集足够能量的概率;基于此概率,获得了蜂窝网用户和D2D用户的各态历经速率和安全中断概率.结果表明,由于D2D发射机可以从周围的射频干扰信号中采集能量,系统的能量效率得到显著提升,同时将专用PB的信号视作一种人工噪声,有效地提高了网络的安全性能.