風(fēng)能收集型摩擦納米發(fā)電機(jī)研究進(jìn)展

王啟曼 ,李文豪 ,郭家瑋 ,王 堃 ,吳朝興,3

(1.福州大學(xué) 先進(jìn)制造學(xué)院,福建 泉州 362251;2.福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院,福建 福州 350108;3.中國(guó)福建光電信息科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室(閩都創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室),福建 福州 350108)

合理使用資源和保護(hù)自然環(huán)境有利于環(huán)境友好型社會(huì)的建立。然而,人們對(duì)化石燃料的過(guò)度消耗,帶來(lái)了能源短缺和環(huán)境污染[1-3],這使得探尋新型綠色環(huán)保能源成為迫切需求。自然界中蘊(yùn)藏著豐富的機(jī)械能,如行走的動(dòng)物、落下的樹(shù)葉、風(fēng)吹動(dòng)的花草等。人體也會(huì)產(chǎn)生許多機(jī)械能,例如,心臟輸出功率為1.4 W[4]。2012 年王中林教授首次提出并研發(fā)摩擦納米發(fā)電機(jī)(Triboelectric Nanogenerator,TENG)新能源技術(shù)[5]。TENG 技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用是將生活中各種微小、無(wú)規(guī)律的機(jī)械能有效地轉(zhuǎn)化為電能。TENG 是繼電磁感應(yīng)式[6]、壓電式[7]、靜電式[8]機(jī)械能裝置后全新的一種能量轉(zhuǎn)換器件,為機(jī)械能的高效使用帶來(lái)新契機(jī)。眾多機(jī)械能中,風(fēng)能具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),其分布廣泛、風(fēng)速范圍大、不受晝夜變化和氣象條件影響,是一種理想的自然環(huán)境能量。除此之外,風(fēng)能蘊(yùn)量巨大,每年地球上可用來(lái)發(fā)電的風(fēng)力資源約為1300 億千瓦,幾乎是當(dāng)今全世界水力發(fā)電量的10 倍[9-10]。因此TENG 收集風(fēng)能依然有著廣闊的應(yīng)用前景,如圖1所示。

圖1 風(fēng)能收集型TENG 應(yīng)用概況Fig.1 Applications of TENG for wind energy harvesting

風(fēng)能收集型TENG 的研究主要包括器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料處理、電源管理等。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定TENG 能否高效地將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為摩擦層間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),直接影響器件的性能。為改善TENG 輸出性能,通常利用物理、化學(xué)方法修飾材料,進(jìn)而增強(qiáng)材料表面粗糙程度以及接觸起電能力。同時(shí)由于TENG 高電壓、低電流和高輸出阻抗特性,需要通過(guò)電源管理電路提高能量轉(zhuǎn)換效率[11]。本文主要從風(fēng)能收集型TENG 的結(jié)構(gòu)、材料和電源管理三方面進(jìn)行了歸納和總結(jié),并對(duì)其未來(lái)的應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 TENG 的基礎(chǔ)理論

1.1 工作原理

通過(guò)TENG 實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換需要兩個(gè)重要物理過(guò)程的參與,即接觸起電和靜電感應(yīng)[12]。兩種不同材料相接觸時(shí),由于接觸起電效應(yīng),材料表面將攜帶極性相反電荷。在外力作用下兩種材料分開(kāi)時(shí),相對(duì)應(yīng)的電極將產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)差,該感應(yīng)電勢(shì)差將驅(qū)動(dòng)電子通過(guò)外電路在兩電極間移動(dòng)以平衡電勢(shì)差,從而形成流過(guò)負(fù)載的電流。當(dāng)在外力作用下兩種摩擦材料再次接觸時(shí),電子在外部電路反向移動(dòng),形成反向電流。上述過(guò)程不斷循環(huán),從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。

1.2 工作模式

TENG 按照工作模式分類(lèi),有垂直接觸-分離式、水平滑動(dòng)式、單電極式和獨(dú)立層式[13]。垂直接觸-分離式是TENG 最基礎(chǔ)的工作模式[14-15]。如圖2(a)所示,受外力作用時(shí),上下兩介電層在垂直方向上接觸分離,導(dǎo)致兩電極間產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)差,電子在兩電極間移動(dòng)以平衡電勢(shì)差。水平滑動(dòng)式與垂直接觸-分離式結(jié)構(gòu)相似,主要區(qū)別在于運(yùn)動(dòng)方向不同[16-17]。如圖2(b)所示,兩介電層沿水平方向持續(xù)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí),電子在外部電路移動(dòng)以抵消電勢(shì)差。單電極式是在前兩種工作模式的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的,僅底部有電極,并且直接接地,如圖2(c)所示。大地與底部電極形成回路,電子在這一回路上移動(dòng),這種工作模式可以用在接觸-分離結(jié)構(gòu)和滑動(dòng)結(jié)構(gòu)[18-20]。獨(dú)立層式是前兩種工作模式的延伸:兩個(gè)對(duì)稱(chēng)電極置于介電層背面,帶電物體在兩電極間做往復(fù)滑動(dòng)時(shí),連接兩電極間的負(fù)載會(huì)有交流電通過(guò)(圖2(d))[21]。這種工作模式避免持續(xù)摩擦,進(jìn)而延長(zhǎng)TENG 的使用壽命。目前TENG 無(wú)論以單一或是混合模式工作,都基于上述四種基本工作模式[22]。

圖2 摩擦納米發(fā)電機(jī)的四種基本工作模式[22]。(a) 垂直接觸-分離模式;(b) 水平滑動(dòng)模式;(c) 單電極模式;(d) 獨(dú)立層模式Fig.2 Four fundamental modes of TENG[22].(a) Vertical contact-separation mode;(b) Lateral-sliding mode;(c) Single-electrode mode;(d) Freestanding triboelectric-layer mode

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

TEGN 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心是在外力驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)摩擦層間的周期性相對(duì)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于風(fēng)能收集型TEGN,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想為將風(fēng)對(duì)TENG 的機(jī)械擾動(dòng)充分轉(zhuǎn)換為摩擦層間的連續(xù)性相對(duì)運(yùn)動(dòng)。本文首先以四種工作模式進(jìn)行結(jié)構(gòu)分類(lèi),綜述近年來(lái)風(fēng)能收集型TENG 在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的研究進(jìn)展。

2.1 基于垂直接觸-分離模式結(jié)構(gòu)

基于垂直接觸-分離工作模式的TENG 結(jié)構(gòu)有拱形結(jié)構(gòu)、多層疊加結(jié)構(gòu)和間隔物結(jié)構(gòu)等。在風(fēng)能收集方面,旗幟型和風(fēng)車(chē)狀是比較常見(jiàn)的兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。Zhao 等用鍍有鎳的聚酯纖維和攜有銅的聚酰亞胺編織一種旗幟型摩擦電納米發(fā)電機(jī)(WTENG-flag)(圖3(a))[23]。每個(gè)編織單元中,兩電極間留有間隙,以便風(fēng)驅(qū)動(dòng)兩編織材料不斷接觸分離。相比其他旗幟型結(jié)構(gòu),WTENG-flag 重量輕(15 g 以?xún)?nèi)),較為靈活,可任意調(diào)整方向捕獲風(fēng)能。風(fēng)速為22 m/s 時(shí),開(kāi)路電壓和短路電流分別為40 V,30 μA。這種風(fēng)力發(fā)電旗在天氣、環(huán)境傳感和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中具有潛在的應(yīng)用前景。但是,隨著環(huán)境周?chē)鷿穸鹊脑黾?WTENG-flag 輸出性能急劇下降。當(dāng)相對(duì)濕度從10%增加到96%時(shí),輸出電流由22 μA 下降至8 μA。并且大多數(shù)實(shí)驗(yàn)已證明濕度對(duì)TENGs 的輸出效果有一定的影響[24-25]。

低速風(fēng)能的收集一直困擾著研究人員,這是因?yàn)槿虻乇砀浇钠骄L(fēng)速(觀測(cè)高度為10 m)約為3.28 m/s[26-27]。重慶大學(xué)王雪教授用TENG 和電磁發(fā)生器(EMG)組成風(fēng)車(chē)式混合納米發(fā)電機(jī)(W-HNG)[28]。W-HNG 由四個(gè)獨(dú)立的混合納米發(fā)電機(jī)組裝,每個(gè)單元由TENG 和EMG 組成(圖3(b))。此外,該工作用彈簧鋼板作為T(mén)ENG 的電極,彈簧鋼板同時(shí)充當(dāng)加速器角色。它可以?xún)?chǔ)存彈性勢(shì)能并將其轉(zhuǎn)換為動(dòng)能,進(jìn)而提高接觸分離速度和接觸強(qiáng)度,器件性能進(jìn)一步得到改善。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示W(wǎng)-HNG 可收集低至1.8 m/s 的風(fēng)能,點(diǎn)亮商用LED 燈70 個(gè),最大輸出電壓達(dá)到1150 V,具有出色的輸出性能。該W-HNG 結(jié)構(gòu)避免了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)普遍存在的巨大旋轉(zhuǎn)阻力和由于長(zhǎng)期摩擦而出現(xiàn)的磨損,有望使得TENG 的使用壽命得到延長(zhǎng)。

2.2 基于水平滑動(dòng)模式結(jié)構(gòu)

Xie 等采用風(fēng)杯,提出一種旋轉(zhuǎn)式摩擦電納米發(fā)電機(jī)(R-TENG)[29]。整個(gè)裝置主要包括框架、軸、柔性轉(zhuǎn)子葉片和兩個(gè)定子,而框架整體又由兩個(gè)垂直、同軸并連在一起的矩形亞克力框組成。該結(jié)構(gòu)利用安裝在軸頂部的風(fēng)杯,將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸和柔性轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)能,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子周期性掃過(guò)定子。R-TENG 采用垂直接觸-分離和水平滑動(dòng)混合模式,實(shí)現(xiàn)兩表面之間的接觸-滑動(dòng)-分離-接觸這一重復(fù)過(guò)程(圖3(c))。當(dāng)風(fēng)速為15 m/s 時(shí),此裝置可以產(chǎn)生250 V 的開(kāi)路電壓和0.25 mA 的短路電流,最大功率密度有39 W/m2。此結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)R-TENG 不需要其他復(fù)雜的轉(zhuǎn)動(dòng)單元、線圈或電磁鐵;(2)R-TENG 易于制造,體積緊湊。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)引入一種新的運(yùn)行機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)與新型發(fā)電技術(shù)的有效結(jié)合。但是低速風(fēng)能難以為R-TENG 提供持續(xù)穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)力,該類(lèi)型器件對(duì)于低速風(fēng)能的收集能力有待進(jìn)一步提高。

圖3 (a) WTENG-flag 制備流程示意圖及工作原理[23];(b) 類(lèi)似風(fēng)車(chē)的混合納米發(fā)電機(jī)(W-HNG)結(jié)構(gòu)示意圖和工作原理[28];(c) 基于接觸-滑動(dòng)-分離-接觸混合過(guò)程R-TENG 的工作原理示意圖[29]Fig.3 (a) Schematic diagram of the fabrication process and working mechanisms of WTNEG-flag[23];(b) Schematic diagram of the windmill-like TENG and working mechanisms[28];(c) Schematic diagram of the working mechanisms of R-TENG based on a hybridization of contact-sliding-separation-contact process[29]

2.3 基于單電極模式結(jié)構(gòu)

顫振驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)是一種典型的風(fēng)能收集型TENG 制造策略。2013 年,Yang 等報(bào)道了一種顫振結(jié)構(gòu)的風(fēng)能收集型TENG[30]。制備的TENG 由兩片鋁箔和一層聚全氟乙丙烯(FEP)薄膜組成,FEP 位于由亞克力制作的長(zhǎng)方體中,其中一邊被固定在底面。FEP 薄膜的風(fēng)致振動(dòng)導(dǎo)致兩個(gè)鋁箔和FEP 薄膜之間的距離發(fā)生周期性改變(圖4(a)),從而通過(guò)外部電路輸出電壓和電流。尺寸為2.5 cm×2.5 cm×22 cm 的發(fā)電機(jī)可直接驅(qū)動(dòng)10 個(gè)商用LED,在100 MΩ 負(fù)載下產(chǎn)生高達(dá)100 V 的輸出電壓。這種風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置難以實(shí)現(xiàn)全方位收集風(fēng)能,并且存在摩擦層接觸不充分的問(wèn)題。針對(duì)此結(jié)構(gòu)自身存在接觸不充分問(wèn)題,廈門(mén)大學(xué)一研究團(tuán)隊(duì)提出角形TENG(ASTENG)[31]。在該結(jié)構(gòu)中,兩個(gè)鋁層堆疊為一個(gè)角形,FEP 薄膜放置夾角中。AS-TENG 引入楔形導(dǎo)風(fēng)通道,為顫振提供驅(qū)動(dòng)力,FEP 薄膜可充分密切地接觸鋁層,增強(qiáng)了接觸帶電和靜電感應(yīng)效果(圖4(b))。

2020 年,中國(guó)北京科技大學(xué)張?jiān)浇淌诘忍岢鲆环N不倒翁形狀的混合摩擦電納米發(fā)電機(jī)(TH-TENG),可以在收集風(fēng)能的同時(shí)采集水波能量[32]。TH-TENG由上下兩部分組成,上半部呈錐形,下半部為半球形,上錐體的電極與下半球相連(圖4(c))。不同材料和直徑的輕質(zhì)空心球放置于半球內(nèi)部,整個(gè)結(jié)構(gòu)完全封裝。外部為單電極接觸分離模式,內(nèi)部為單電極滑動(dòng)模式,內(nèi)外工作模式協(xié)同增強(qiáng)了輸出效果。該結(jié)構(gòu)獨(dú)特之處在于整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為上部輕,下部重,保證THTENG 發(fā)生偏離時(shí),可自行回歸平衡位置。此外,封閉的結(jié)構(gòu)避免了外界環(huán)境對(duì)輸出參數(shù)的干擾。此結(jié)構(gòu)為混合能量的獲取提供了新思路。

圖4 (a) TENG 的示意圖及工作原理[30];(b) AS-TENG 的設(shè)備結(jié)構(gòu)[31];(c) TH-TENG 單位示意圖及工作原理[32]Fig.4 (a) Schematic diagram and working mechanisms of the TENG[30];(b) Device structure of AS-TENG[31];(c) Schematic diagram and working mechanisms of the TH-TENG unit[32]

2.4 基于獨(dú)立層模式結(jié)構(gòu)

大連海事大學(xué)徐敏義教授課題組構(gòu)建了一種基于獨(dú)立層模式的旗幟式摩擦電納米發(fā)電機(jī)(Flag-type TENG)(圖5(a))[33]。電極和聚四氟乙烯膜(PTFE)封裝在聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)中,摩擦層與空氣隔離。確保在許多自然條件下,尤其潮濕環(huán)境下運(yùn)行不受影響,依然有效地捕獲風(fēng)能。為進(jìn)一步提高旗式TENG 的性能,兩個(gè)旗式TENG 以一定的間隔距離固定,功率密度比僅有一個(gè)旗型TENG 提高近40 倍,50 μF 電容可以在150 s 內(nèi)充電至3 V。這種新型旗幟型TENG 在高濕度條件下收集風(fēng)能具有很大的優(yōu)勢(shì),有望滿(mǎn)足新型TENG 收集風(fēng)能的需求。

氣象學(xué)家把風(fēng)力分為12 個(gè)級(jí)別,可見(jiàn)風(fēng)能有較寬的風(fēng)速范圍。為盡可能地?cái)U(kuò)大收集風(fēng)能的風(fēng)速范圍,重慶大學(xué)王季宇團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所共同提出一種雙旋轉(zhuǎn)軸TENG(D-TENG)[34]。D-TENG 采用同心圓雙轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu),將兩個(gè)具有不同形狀、尺寸和風(fēng)杯臂長(zhǎng)的獨(dú)立TENG 合理組裝起來(lái)(圖5(b))。此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受汽車(chē)換擋系統(tǒng)的啟發(fā),將不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的能量捕獲模塊組裝成一個(gè)單元,實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)速下的高效輸出。在保證不同模塊在功能和結(jié)構(gòu)方面具有一定的獨(dú)立性和完整性的情況下,通過(guò)模塊間的相互切換,完成不同區(qū)間風(fēng)能的采集,還存在一些技術(shù)難題。但是通過(guò)這種組合方式可以在更寬的風(fēng)速范圍內(nèi)達(dá)到最佳輸出性能,有效收集風(fēng)能的風(fēng)速范圍為2.2～16 m/s,最大開(kāi)路電壓達(dá)到306 V。D-TENG 采用的獨(dú)特結(jié)構(gòu)可以高效地大規(guī)模收集不同風(fēng)速的風(fēng)能,把此結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到極致。

圖5 (a) Flag-type TENG 示意圖和工作原理[33];(b) 雙轉(zhuǎn)軸TENG(D-TENG)的結(jié)構(gòu)示意圖及在軟摩擦模式下的工作原理[34]Fig.5 (a) Schematic diagram and working mechanisms of Flag-type TENG[33];(b) Schematic diagram of the dual-rotation shaft TENG (D-TENG) and working mechanisms in the soft friction mode[34]

3 材料優(yōu)化

除了采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化外,材料物理化學(xué)性能的優(yōu)化同樣有助于改善TENG 的輸出性能。Wilcke 在1957 年發(fā)表了關(guān)于靜電荷的摩擦電序列的研究成果[35-37]。除了圖6 中常見(jiàn)的材料之外,研究人員不斷探尋具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的新型材料,如易降解、無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)。此外,對(duì)材料進(jìn)行預(yù)處理,通常使用微加工的方法修飾材料表面形貌,表面功能化可以一定程度地改變摩擦材料表面電勢(shì),有效提高摩擦起電效應(yīng)。

圖6 常見(jiàn)材料的摩擦序列Fig.6 Friction sequences of common materials

3.1 新型材料

新型材料的使用為改善器件性能提供了一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的策略。同時(shí)也避免一系列環(huán)境污染事件的發(fā)生,提高了人類(lèi)生存質(zhì)量。因此,綠色環(huán)保和易降解的新型材料的探索性研究具有重要意義。

農(nóng)村普遍存在的麥秸,有良好的生物降解性,已被廣泛用作天然肥料。馬平等研制一種基于小麥秸稈的摩擦納米發(fā)電機(jī)(WS-TENG)[38],相比其他TENG而言,材料使用上更環(huán)保,其主要采用可生物降解的小麥秸稈為制備材料。對(duì)麥秸稈進(jìn)行掃描電鏡觀察,發(fā)現(xiàn)小麥秸稈具有有序的條狀和表面紋理微觀結(jié)構(gòu)(圖7(a,b)),是一種理想的摩擦層。當(dāng)振動(dòng)頻率為4 Hz時(shí),WS-TENG 的輸出電壓可達(dá)250 V。此外,麥秸有良好的柔韌性和優(yōu)異的防水性能,可作為一種制作TENG 的新型材料。

鮮葉和落葉在自然界中比較常見(jiàn),如果這些葉子可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的能量收集裝置來(lái)收集機(jī)械能,這對(duì)環(huán)保和廢物回收有重要意義。Feng 等以葉片為材料制作TENG,測(cè)得基于新鮮葉片的TENG 短路電流和輸出電壓分別為15 μA 和430 V,基于干葉的器件性能則可達(dá)到25 μA 和560 V[39]。為充分利用葉片,可以將易碎的干葉片磨成粉末使用。新鮮葉片被制成摩擦層后仍能保持原始表面結(jié)構(gòu),即微結(jié)構(gòu)和纖維結(jié)構(gòu)(圖7(c,d))有助于擴(kuò)大表面接觸面積。隨著現(xiàn)代生活水平的提高,紙巾已經(jīng)是一種不可缺少的生活用品。本課題組設(shè)計(jì)了一種基于紙巾TENG(P-TENG)(圖7(e))[40-41]。由于紙巾的超柔性,P-TENG 可以收集任意方向的風(fēng)能。風(fēng)速約為20 m/s 時(shí),開(kāi)路電壓有2 V左右。相比其他硬紙板,紙巾更具有靈活性,可隨意折疊且不影響器件性能。紙巾的原材料有很多種,常用的有棉漿、草漿、木漿等,這些都是天然無(wú)污染的原材料,不會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害,因此紙巾是一種可選的綠色新型材料。然而相比其他材料,這兩種材料具有共同的缺陷:(1)韌性不夠,耐磨耗性低,容易損壞;(2)對(duì)濕度較敏感,隨周?chē)h(huán)境濕度的增加,器件輸出性能急劇下降且使用壽命大大縮短。因此可生物降解的耐摩擦新型材料將是TENG 技術(shù)的研究重點(diǎn)之一。

圖7 (a,b) 小麥秸稈的掃描電鏡圖像[38];(c) 鮮葉表面光學(xué)顯微照片;(d)葉面掃描電鏡圖像[39];(e)導(dǎo)電紙制作過(guò)程示意圖[40]Fig.7 (a,b) Scanning electron microscope images of wheat straw[38];(c) Optical microphotograph of fresh leaf surface;(d) SEM image of leaf surface[39];(e) Schematic diagram of the fabrication process the conductive paper[40]

3.2 材料修飾

為使TENG 輸出性能更優(yōu)越,已進(jìn)行許多研究[42-44]。通常是對(duì)材料進(jìn)行不同的預(yù)處理,如在材料表面刻蝕一些微結(jié)構(gòu),典型的有交織結(jié)構(gòu)[45]、納米線結(jié)構(gòu)[46]、金字塔結(jié)構(gòu)[47]等。反應(yīng)離子刻蝕是比較常見(jiàn)的刻蝕方法。Zhang 等通過(guò)自上而下的反應(yīng)離子蝕刻,在暴露的聚酯表面上形成聚酯聚合物納米線,從而增加有效接觸面積[48]。經(jīng)過(guò)表面納米結(jié)構(gòu)修飾后的兩個(gè)條帶的TENG,產(chǎn)生高達(dá)98 V 的開(kāi)路電壓和16.3 μA的短路電流。電感耦合等離子體刻蝕也可制備聚合物納米線,張虎林等研制一種用于無(wú)線遠(yuǎn)程氣象監(jiān)測(cè)的收集風(fēng)能的TENG,制作過(guò)程中就有利用電感耦合等離子體蝕刻技術(shù)[49]。在PTFE 表面蝕刻平均尺寸約為200 nm 的海帶狀納米結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了材料摩擦帶電性。在材料表面引入納米顆粒同樣可增強(qiáng)摩擦起電效應(yīng),廈門(mén)大學(xué)一研究團(tuán)隊(duì)[31]將濕化學(xué)方法合成的平均直徑約為30 nm 的銀納米顆粒引入到鋁層表面以提高材料粗糙度。

以上幾種比較常用的材料處理方式都存在固有的缺陷:反應(yīng)離子刻蝕速度低,選擇性比較差;電感耦合等離子體刻蝕維護(hù)成本高;引入納米顆粒加工難度高,制作過(guò)程復(fù)雜等。因此,尋找低成本、加工速度快、環(huán)境友好的材料改性方法對(duì)于實(shí)現(xiàn)TENG 應(yīng)用具有重要意義。

4 電源管理

近年來(lái)TENG 在結(jié)構(gòu)和材料方面研究都有很大的突破。由于TENG 具有高電壓、低電流和高阻抗的輸出特性,電源管理的重要性不言而喻[50]。電源管理電路的研究關(guān)系到電能是否可以最大效率地供給電子設(shè)備,目前有效的電源管理電路(PMC)依然很少。Zhu等首先在徑向排列的旋轉(zhuǎn)TENG 中引入變壓器,極大地降低輸出電壓,提高了輸出電流,阻抗也大大降低[51]。美國(guó)喬治理工Niu 等研制了一種普遍適用于所有類(lèi)型的脈沖輸出TENG 電源管理電路(圖8(a)),這種通用電路主要由邏輯控制的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)和耦合電感組成[52],電能提取率約為60%。胡永山設(shè)計(jì)了一種使用耦合電感的阻抗匹配電路,在3.6 s 可以實(shí)現(xiàn)5 V 的穩(wěn)壓輸出[53]。Xi 等通過(guò)最大化能量轉(zhuǎn)移、直流降壓轉(zhuǎn)換和自我管理機(jī)制,為T(mén)ENG 提出了一種通用電源管理策略(圖8(b))[54]。在1 Hz 的低頻下,使用電源管理模塊,TENG 的匹配阻抗在80%的效率下從35 MΩ 降低到1 MΩ,為1 mF 電容充電時(shí)存儲(chǔ)的能量可以提高128 倍。與上述含有電感的管理電路不同,Tang 等專(zhuān)注于無(wú)電感的TENG 電源管理電路(圖8(c))[55],采用自連接開(kāi)關(guān)電容器陣列,通過(guò)在充電操作中電容器串聯(lián)連接后并聯(lián)連接用于功率輸出,可以降低輸出電壓和提高輸出電流,同時(shí)將能量損失降至最低。

圖8 (a) 基于邏輯控制開(kāi)關(guān)和耦合電感的通用管理電路[52];(b) 通過(guò)耦合TENG、整流和經(jīng)典DC-DC 降壓變換器實(shí)現(xiàn)交直流降壓轉(zhuǎn)換的電路原理圖[54];(c) 一種帶自連接開(kāi)關(guān)電容的TENG 管理電路[55]Fig.8 (a) Management circuit based on logic control switch and coupling inductor[52];(b) The schematic circuit diagram of AC-DC buck conversion by using TENG,rectifier and classical DC-DC buck converter[54];(c) The utility model relates to a TENG management circuit with self-connecting switch capacitor[55]

以上電路都有一定的局限性,比如,僅使用變壓器,轉(zhuǎn)換效率并不高;使用機(jī)械開(kāi)關(guān),會(huì)帶來(lái)不必要的干擾。但總體充電效率都有所提高,供給電子設(shè)備使用時(shí)基本采用上述幾種電源管理電路,電源管理研究任重而道遠(yuǎn)。

5 總結(jié)與展望

TENG 的誕生為解決能源危機(jī)和環(huán)境污染提供了一種新途徑,為新能源技術(shù)和自供電傳感器技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了新契機(jī)。綜上所述可知,TENG 在收集風(fēng)能方面取得重大成果,其應(yīng)用范圍更加廣泛,如環(huán)境監(jiān)測(cè)、可穿戴電子設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)等。在生活中扮演著越來(lái)越重要的角色,有望引領(lǐng)著能源領(lǐng)域新一輪革命。然而,TENG 在風(fēng)能利用方面存在的問(wèn)題不可忽視。首先,由于頻繁、直接和長(zhǎng)期摩擦,容易導(dǎo)致材料嚴(yán)重磨損和器件失效,造成TENG 輸出性能下降、使用壽命縮短、安全系數(shù)降低;其次,TENG 適用環(huán)境有一定的局限性,在極端環(huán)境中,如高溫、極冷和高輻射地區(qū),TENG 輸出性能受到嚴(yán)重影響;另外,TENG的實(shí)際轉(zhuǎn)換效率值和理論值相差甚遠(yuǎn),實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)普遍應(yīng)用這一目標(biāo)還很遙遠(yuǎn),這都是需要攻克的難題。因此,實(shí)現(xiàn)持久、穩(wěn)定和高輸出的風(fēng)能收集TENG,是一條坎坷而漫長(zhǎng)的道路。

利用TENG 收集風(fēng)能是一種環(huán)保和有商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式:其一,風(fēng)能資源極為豐富且分布廣泛,目前實(shí)際合理開(kāi)發(fā)利用的只是冰山一角,可持續(xù)甚至永久性供能;其二,隨著科技的創(chuàng)新進(jìn)步,開(kāi)發(fā)風(fēng)能技術(shù)不斷完善和成熟,大規(guī)模開(kāi)發(fā)風(fēng)能將成為可能;其三,TENG 收集風(fēng)能具有低碳和清潔優(yōu)點(diǎn),不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體,符合綠色發(fā)展理念,所以風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用將會(huì)在總能源中占有更大的比例;其四,將TENG 與其他電池、能源技術(shù)相結(jié)合,開(kāi)發(fā)復(fù)合型能源這一技術(shù)逐漸成熟;其五,我國(guó)海上風(fēng)能儲(chǔ)量有7.5 億千瓦,海上風(fēng)力發(fā)電具有極大優(yōu)勢(shì),未來(lái)TENG在海上的應(yīng)用會(huì)高速發(fā)展。此外,隨著新材料的不斷涌現(xiàn),TENG 材料選擇更加廣泛,器件性能將不斷得到改善。TENG 在我國(guó)新能源發(fā)展中占據(jù)重要地位,電子產(chǎn)品將迎來(lái)風(fēng)能充電的時(shí)代。