近日，我校機械學(xué)院朱建陽副教授聯(lián)合中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士、程廷海研究員提出了一種雙葉片式摩擦-電磁復(fù)合發(fā)電機(DB-TEHG)。該成果以“Double-blade structured triboelectric–electromagnetic hybrid generator with aerodynamic enhancement for breeze energy harvesting” 為題發(fā)表在《Applied Energy》期刊。朱建陽副教授、王中林院士和程廷海研究員為論文共同通訊作者，汪朝暉教授為論文共同作者，機械學(xué)院2021級博士生朱名康、張加誠為論文共同第一作者，我校為論文第一單位。《Applied Energy》是Elsevier出版社工程技術(shù)領(lǐng)域的期刊，2022年影響因子11.446，中科院JCR期刊分區(qū)一區(qū)TOP。

雙葉片式摩擦-電磁復(fù)合發(fā)電機的結(jié)構(gòu)主要包括雙葉片式俘能端、摩擦納米發(fā)電機(TENG)和電磁發(fā)電機。在微風(fēng)驅(qū)動下，雙葉片結(jié)構(gòu)不僅可以提升風(fēng)機的氣動性能，提高電磁發(fā)電機的輸出性能，還可以直接驅(qū)動葉片間的接觸-分離模式TENG，獲得額外的電能輸出。在應(yīng)用演示中，DB-TEHG用于收集自然微風(fēng)能量并成功為無線溫濕度傳感器供電。這項工作提出的雙葉片式摩擦-電磁復(fù)合發(fā)電機設(shè)計理念為開展環(huán)境微納能源俘獲研究提供了一種新思路。

風(fēng)能作為一種可再生能源，對其開發(fā)利用是實現(xiàn)“碳中和”的有效途徑之一，然而現(xiàn)有的傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機對風(fēng)速有著較高要求，這限制了低風(fēng)速區(qū)域的風(fēng)能利用。摩擦納米發(fā)電機(Triboelectric nanogenerator, TENG)是由王中林團隊于2012年首次發(fā)明的一種基于摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)效應(yīng)耦合原理的新型發(fā)電機，在收集低頻能量領(lǐng)域有著獨特優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于微納能源收集和自供電傳感領(lǐng)域。

針對低速微風(fēng)能量俘獲困難的共性問題，論文提出了一種雙葉片式摩擦-電磁復(fù)合發(fā)電機。通過CFD方法仿真對比了不同葉片風(fēng)機的流場結(jié)構(gòu)，確定合適的葉片參數(shù)，并揭示了雙葉片結(jié)構(gòu)提升風(fēng)機氣動性能的內(nèi)在機理;制作原理樣機并實驗測試了TENG和電磁發(fā)電機在不同風(fēng)速下的輸出性能，在風(fēng)速為2~5 m/s時，TENG的輸出電壓為650~910 V、輸出電流為31~45 μA，電磁發(fā)電機的輸出電壓為80~236 V、輸出電流為10~24.2 mA，DB-TEHG從風(fēng)能到電能的轉(zhuǎn)換效率為20.88%;展示了DB-TEHG可以點亮420個LED;進行了室外實驗，證明在自然微風(fēng)的驅(qū)動下，DB-TEHG可以為無線溫濕度傳感器供電。該研究工作可以收集自然界微風(fēng)能量為物聯(lián)網(wǎng)分布式傳感器供電，并為環(huán)境微納能源的開發(fā)利用提供了新的解決思路。

論文信息：M. Zhu, J. Zhang, Z. Wang, X. Yu, Y. Zhang, J. Zhu, Z.L. Wang, T. Cheng. Double-blade structured triboelectric–electromagnetic hybrid generator with aerodynamic enhancement for breeze energy harvesting. Applied Energy, 2022, 3266:119970. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2022.119970.

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