西南交通大学Nano Energy: 纳米发电机自供电技术在交通领域的研究进展

在人类历史上，交通使人类认识世界，促进文化交流，为人类文明发挥着不可或缺的作用。而得益于交通的发展，人类在实际道路与文明道路上都可以走得更远。在现代生活中，尤其是在城市交通网络，智能交通系统(ITS)的出现为了人类的安全和方便提供了更好的保障。传感器作为智能交通系统的基础，广泛用于信号采集。而在整个系统中，只有传感器工作，大数据以及后续处理才能对运输调度起作用，才可以称之为智能化。由于微电子技术的发展，小的传感器具有更低的能源消耗。但是用于传感器的电源(如电池)储存的电能仍然是有限的。并且频繁地替换或重新为电池充电对于数量巨大的分布式传感器是一个巨大的工程。与此同时，废旧电池还会给环境带来很大的影响。而另一方面，传统的电缆电源由于传感器数量的增加，出现了越来越复杂的布线问题。在这方面，自供电技术便显得尤为重要。幸运的是，纳米发电机不仅可以在交通载体运行过程中获取环境能量，为其任意分布的多个传感器供电，还可以作为主动式传感器，实现对智能交通系统的自供电无线监控。

近日，西南交通大学杨维清课题组在Nano Energy(2019, 66, 104086)上发表了题为“Nanogenerator as new energy technology for self-powered intelligent transportation system”的综述，系统地总结了压电纳米发电机（PENG）和摩擦电纳米发电机（TENG）作为自供电技术在陆地、水上和空中的交通领域的研究进展。该综述分别以汽车、火车、船舶、飞机等交通载具以及桥梁、隧道、公路、轨道等交通道路两大方面对智能交通系统中自供电技术的发展前景和面临的挑战进行了讨论与总结。

图1 纳米发电机作为自供电技术在智能交通系统领域的主要发展情况。

图2 纳米发电机在汽车领域的应用。

图3 能量收集技术在列车方面的应用。

图4 纳米发电机作为能量收集技术在自行车上的应用。

图5 摩擦纳米发电机作为能量收集技术与防腐技术在水中船舶的应用及潜在价值。

图6 能量收集技术在热气球与无人机的应用。

图7 基于纳米发电机的自供能桥梁检测系统。

图8 纳米发单机作为传感器与能量收集技术在隧道中的应用与潜在价值。

图9 纳米发电机作为传感器与能量收集技术在公路上的应用。

图10 利用压电与摩擦电两种不同的方式收集列车轨道的振动能。

图11 摩擦纳米发电机的不同结构设计用于水波能量收集和传感。

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