兰州化物所&中国海洋大学&上交大 Nano Energy：WS-TENG用于风沙能量收集和自供电监测传感器

原创 CQR 材料人

【背景介绍】

荒漠化地区光照条件好、土地开阔，具备太阳能光伏发电及风力发电的有利条件，然而，荒漠化地区强风导致地表沙尘活动频繁，如沙尘暴等易导致能源收集设备损坏从而影响发电输出，而这些风沙流能量通常被认为是有害能量被忽视。同时，实时监测风沙运动对沙漠化的跟踪和防治至关重要，但用于监测风沙流的传统传感器大多成本较高，且需要可持续电源保障其在恶劣沙尘环境中有效运行，迫切需要一个能自供电的风沙输沙率监测传感器。摩擦电纳米发电机（TENG）是一种基于摩擦起电与静电感应耦合的能量收集器件，近年来在收集机械能、声能、海洋能等领域引起了广泛关注。鉴于风沙流也是一种气-固两相流，理论上可以通过设计TENG来实现对荒漠化地区风沙能的收集和利用，但是，如何设计一种有效的TENG收集风沙能量还面临挑战。

【成果简介】

近日，中科院兰州化学物理研究所王道爱研究员、中国海洋大学刘盈副教授和上海交通大学张执南副教授等人基于气-固两相流（风沙流）与聚四氟乙烯（PTFE）薄膜之间的摩擦起电特性设计了一种新型风沙流驱动TENG（WS-TENG）。这种WS-TENG结构十分简单，采用气流挟沙法来模拟风沙流，以商品化PTFE薄膜作为摩擦层，相同尺寸的铜胶带粘贴在薄膜背面作为背部电极从而组成风沙流驱动的TENG。同时，作者制备了带有尖端电极的直流电WS-TENG（DCWS-TENG），以空气击穿放电的方法收集连续的风沙流的能量，无需额外的整流器设备直接为电容器充电以及驱动LED照明组件。此外，WS-TENG可用作自供电的主动输沙速率传感器，以在严酷的沙尘暴天气条件下执行简单的沙浓度监测。该工作为在荒漠化地区收集和利用风沙能提供了一种简单而可实现的方法，并且开发的传感器样机为低成本的自供电风沙浓度传感器提供了一个新的选择。研究成果以题为“Gas-Solid Two-Phase Flow-driven Triboelectric Nanogenerator for Wind-sand Energy Harvesting and Self-powered Monitoring Sensor”发布在国际著名期刊Nano Energy上。

【图文解读】

图一、风沙流摩擦起电测试系统

（a）实验设备示意图；

（b）WS-TENG结构；

（c）沙粒的SEM显微照片；

（d）沙粒粒度分布；

（e）PTFE表面的SEM图像。

图二、WS-TENG用于收集脉冲风沙流能量的工作原理

（a）沙子和各种摩擦电材料之间在挤压和释放运动模式下的I_sc；

（b）沙子和玻璃之间的I_sc；

（c）WS-TENG在第一次与风沙流接触分离时的工作机理图；

（d）有限元模拟结果显示了该过程中WS-TENG的电势分布。

图三、摩擦条件对WS-TENG电性能的影响

（a-c）在流速为2 m/s、进沙率为2 g/min时不同摩擦角度（15^o、30^o、45^o、60^o、75^o和90^o）下，WS-TENG的I_sc、V_o和Q_c；

（d-f）在不同的进沙率（2、5、12、20和35 g/min）下，WS-TENG的I_sc、V_o和Q_c；

（g）具有不同风沙流速时WS-TENG的I_sc；

（h）I_sc与流速的关系图。

图四、WS-TENG为电容充电

（a）短路电流I_sc；

（b）输出电压V_o；

（c）积分转移电荷Q_c；

（d）外部不同负载电阻上的电流和瞬时功率；

（e）WS-TENG超过5000次循环的稳定性测试；

（f）不同电容器的充电特性曲线；

（g）WS-TENG器件的光学图像；

（h）由WS-TENG供电的五个绿色LED的照片；

（i）基于WS-TENG的自供电系统直接为电容器充电的电路图。

图五、DCWS-TENG用于收集连续风沙流的能量

（a）DCWS-TENG结构和静电击穿现象的示意图；

（b-d）当流速为10 m/s、进沙率为2 g/min时，DCWS-TENG的I_sc、V_o和Q_c；

（e-g）DCWS-TENG用作电源，给电容器充电、充电电路图和直接点亮六个商用LED。

图六、基于预充电风沙流驱动的PWS-TENG

（a）预充电风沙流驱动的PWS-TENG的示意图；

（b-c）具有不同管长的WS-TENG和PWS-TENG的I_sc和V_o对比；

（d）电流增大倍数与管长的关系图；

（e）PWS-TENG的工作机制。

图七、PWS-TENG传感器原型机的传感性能

（a）PWS-TENG传感器原型机结构图；

（b）PWS-TENG传感器原型机图像；

（c）在恒定流速为10 m/s时，具有不同风沙输运率的风沙流的循环输出电流信号；

（d）在不同流速条件下，I_sc与风沙输运率之间的关系。

【小结】

综上所述，作者展示了一种新型的单电极TENG，该TENG以商业PTFE膜为基础，可通过在沙尘暴等严酷环境中将沙粒与PTFE膜摩擦而有效收集风沙流能量。本文中所设计的WS-TENG可以产生2 µA的短路电流、55 V的输出电压和60 µW的最大瞬时功率；DCWS-TENG在收集风沙能后可直接对电容器充电或驱动LED灯，而无需整流。根据电流输出和风沙输运率之间的关系，PWS-TENG可以简单用作自供电风沙输运率的监测器。该研究为荒漠化地区的能源短缺和环境监测提供了一种新的解决方案。

文献链接：

Gas-Solid Two-Phase Flow-driven Triboelectric Nanogenerator for Wind-sand Energy Harvesting and Self-powered Monitoring Sensor. Nano Energy, 2021, DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106023.

本文由CQR编译。

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