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Nano Res.[能源]│徐敏义教授课题组:高适应且宽频输出的共振硅胶柔性带式振动能摩擦纳米发电机

本篇文章版权为徐敏义课题组所有,未经授权禁止转载。

背景介绍


近年来,随着物联网技术的发展,整个人类社会都发生了显著的变化,现代生产生活中的智能船舶、智能机械、智能制造、智能监测和智慧海洋等都与物联网技术息息相关。而物联网的信息来源主要是通过数以亿计的大量感知节点组成的感知层实现的。这些大量分布式感知节点的供能已经成为物联网的重要挑战之一,而大量机械设备在工作的过程中会产生很多未被有效利用的包括振动能在内的弃能,通过捕获未有效利用的机械振动能量来实现无线传感器网络的原位供电具有广阔的前景。


成果简介


近日,大连海事大学徐敏义教授团队针对普遍存在的定频工作机械设备的特点,提出了一款由硅胶柔性带作为柔性谐振器和独立层的共振摩擦纳米发电机(HSR-TENG),利用柔性谐振器的独特设计实现了软接触和宽频输出。本文开展了柔性带在强迫振动激励下振动特性及HSR-TENG发电特性的相关研究工作。本文研究了影响柔性带一阶振型频率的显著性影响因素,提出了高适应不同共振频率的HSR-TENG的调整原则。通过振动激励和结构参数对HSR-TENG输出特性的影响研究,确定了其优化结构。研究表明HSR-TENG同时实现了共振频率下的高输出及宽频输出,峰值功率密度达到153.9 W/m³,能够点亮12盏0.5W的LED灯。本文将HSR-TENG安装于实际船用空压机,通过捕获实际机械设备的振动能实现了对温度传感器的连续原位供能。本文的研究成果提供了一种具有应用前景的定频振动能量捕获方法,通过捕获定频机械振动能量为温度传感器的持续供能,对物联网时代无线传感节点的原位供能具有重要意义。


图文导读


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图1 HSR-TENG的应用场景、结构、变形特性及工作原理。(a)HSR-TENG的应用场景;(b) HSR-TENG的结构;(c)标准刀具及不同厚度硅胶柔性带试样;(d)硅胶柔性带的弹性模量;(e) 柔性带在(i)正常、(ii)拉伸、(iii)弯曲和(iv)扭曲状态下的照片;(f)HSR-TENG的工作原理;(g) HSR-TENG的模拟电势分布。


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图2硅胶柔性带的运动特性。用于分析柔性带运动特性的(a)三维和(b)二维坐标系;(c)柔性带在(i)一阶、(ii)二阶、(iii)三阶振动模式的仿真结果;高速摄像机捕捉到硅橡胶条在(d)一阶、(e)二阶、(f)三阶振动模式下的运动响应;不同振动模式下(g)开路电压,(h)短路电流,(i)转移电荷。


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图3 HSR-TENG在柔性带非线性变形下的输出性能。(a)柔性带长度为10 cm,厚度为1-3 mm的HSR-TENG的开路电压;(b)柔性带厚度为(i)1mm,(ii)2mm,(iii)3mm的柔性带的运动响应;(c)不同电极间距的HSR-TENG的开路电压和电压带宽;一阶振型振动频率下不同振动强度作用下的(d)开路电压、(e)短路电流和(f)转移电荷量;不同振动强度下HSR-TENG的(g)开路电压,(h)短路电流和(i)转移电荷量。


image.png图4 HSR-TENG的振动能量捕获演示。(a)HSR-TENG的输出电流、计算功率和功率密度随匹配电阻的变化;(b) 300s时间内HSR-TENG对不同电容的充电电压曲线;(c)HSR-TENG为商用温度传感器供电演示;(d)HSR-TENG为12盏0.5W的LED灯供电演示;(e)安装在实际空压机上的HSR-TENG为温度传感器持续供电;(f)温度传感器连续供电时电容充放电曲线。


作者简介


徐敏义教授课题组近年来主要从事基于船舶与海洋工程领域能量捕获及自驱动传感,水下能量捕获与信息感知,水下智能机器人等方面的研究工作。徐敏义教授2012年毕业于北京大学,2016-2017年赴美国佐治亚理工学院访学(导师:王中林院士),2021年创建了大连市海洋微纳能源与自驱动系统重点实验室,主持了包括国家重点研发计划专项课题、国家自然科学基金在内的国家级及省部级项目等10余项,入选中国科协青年人才托举工程、交通运输部青年科技英才、辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才等人才工程,获省部级及以上奖励4项。近五年来,在Nature Communications、Research、Advanced Energy Materials、Nano Energy、ACS Nano、Applied Energy等中科院大类1区Top期刊发表论文48篇,其中影响因子大于10的论文41篇,ESI高被引论文2篇。


文章信息


Du T, Shen D, Xi Z, et al. Highly adaptive and broadband triboelectric energy harvester with stretching silicone rubber strip for variable harmonic frequency vibration. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6309-3.



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