【引言】

近年來，經(jīng)濟的快速發(fā)展所帶來的環(huán)境問題（如水環(huán)境的污染，垃圾處理等）日益嚴(yán)峻，環(huán)境監(jiān)測傳感器作為環(huán)境治理過程中的重要組成部分，其需求也迅速增長。然而，目前的環(huán)境監(jiān)測傳感器通常需要外部能源供能，如電池。對于需要長期工作的環(huán)境監(jiān)測傳感器而言，電池不僅壽命有限，還會產(chǎn)生潛在的環(huán)境危害，尤其是在大面積分布傳感器網(wǎng)絡(luò)。因此，通過收集環(huán)境中的可再生能源來替代電池為傳感器供電是一種有效的解決方案。在眾多能量中，流體能量因其在環(huán)境監(jiān)測點附近具有豐富的儲量，被視為理想的能夠被利用的能源。傳統(tǒng)的流體能量收集主要是基于電磁效應(yīng)，這種方式雖然已經(jīng)被廣泛用于大規(guī)模發(fā)電。然而，維護成本高、體積大、難以攜帶阻礙了它們在便攜式環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的發(fā)展。近年來，基于接觸帶電和靜電感應(yīng)原理的摩擦納米發(fā)電機（Triboelectric Nanogenerator, TENG）已經(jīng)被證明是一種高效、經(jīng)濟、且易于小型化的能量獲取方式。將摩擦納米發(fā)電機和無線環(huán)境監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，為長期環(huán)境監(jiān)測提供了最佳解決方案。

【成果簡介】

近日，來自重慶大學(xué)的楊進教授和中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的王中林院士（共同通訊作者）聯(lián)合在Nano Energy上發(fā)表文章，題為：“Wireless Self-Powered Sensor Networks Driven by Triboelectric Nanogenerator for in-situ Real Time Survey of Environmental Monitoring” 在這項研究中，首次通過變廢為寶的方式利用回收的牛奶盒作為摩擦發(fā)電單元制作了摩擦電納米發(fā)電機(AS - TENG)，其中牛奶盒本身材料是由聚乙烯(PE)、鋁箔(Al)和紙漿依次層壓而成，只需簡單處理就可作為摩擦發(fā)電機的發(fā)電單元。這種發(fā)電機可以實現(xiàn)對風(fēng)能和水能的收集，并長期為無線環(huán)境監(jiān)測節(jié)點供電。摩擦納米發(fā)電機因為采用了獨特的弧形結(jié)構(gòu)設(shè)計，在和流體相互作用時產(chǎn)生渦激振動從而實現(xiàn)流體能量到電能的轉(zhuǎn)化。此外，開發(fā)了以弧形摩擦納米發(fā)電機為電源的自供電無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，在真實河流中進行流體能量采集，并實現(xiàn)了對河流水質(zhì)(pH值)以及環(huán)境滑坡的長期監(jiān)測和預(yù)警。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1.電子設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的數(shù)碼數(shù)據(jù)的增長趨勢

(a) 回收的牛奶盒示意圖;

(b) 牛奶盒外殼薄膜示意圖;

(c) 弧形摩擦納米發(fā)電機的結(jié)構(gòu)剖面示意圖以及牛奶盒薄膜中PE聚合物表面納米線陣列電鏡圖；

(d) 弧形摩擦電納米發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖；

(e) 回收的牛奶盒，處理后的牛奶盒薄膜以及弧形摩擦納米發(fā)電機的實物圖

(f) 由弧形摩擦納米發(fā)電機陣列供電的無線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的示意圖。

圖2. 弧形摩擦電納米發(fā)電機的工作原理及分析

(a) COMSOL多物理場模擬的流體與器件作用時的流固耦合示意圖；

(b) COMSOL多物理場模擬的弧形彈性梁的固有頻率；

(c) ANSYS多物理場模擬碰撞時弧形彈性梁和L形梁的界面應(yīng)力分布；

(d) 運動過程中的一個代表性位置的照片；

(e) 最大位移時的電荷分布；

(f) 最大位移時的電勢分布的仿真圖。

圖3. 不同風(fēng)速下以及不同特征尺寸的弧形摩擦納米發(fā)電機的電學(xué)性能表征

(a) 不同長度L對應(yīng)的器件在不同風(fēng)速下的開路電壓圖；

(b) 不同長度L對應(yīng)的器件在不同風(fēng)速下的短路電流圖；

(c) 不同長度L對應(yīng)的最大電壓和電流；

(d) 不同間距H對應(yīng)的器件在不同風(fēng)速下的開路電壓圖；

(e) 不同間距H對應(yīng)的器件在不同風(fēng)速下的短路電流圖；

(f) 不同間距H對應(yīng)的最大電壓和電流；

(g) 最優(yōu)的開路電壓和短路電流圖；

(h) 不同外部負(fù)載電阻下的輸出電壓和電流；

(I) 不同的外部負(fù)載電阻下的輸出功率。

圖4. 風(fēng)力作用下弧形摩擦納米發(fā)電機的供能裝置及其應(yīng)用

(a) 利用弧形摩擦納米發(fā)電機為無線傳感器供電的電路圖；

(b) 利用弧形摩擦電納米發(fā)電機驅(qū)動248盞LED燈；

(c) 無線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的照片，該系統(tǒng)由一個無線pH傳感器節(jié)點、一個接收器、兩種不同pH值的溶液和兩個弧形摩擦納米發(fā)電機組成；

(d) 當(dāng)pH值小于5時，水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出警報。

圖5. 河流流體能驅(qū)動下的環(huán)境水質(zhì)及滑坡監(jiān)測應(yīng)用示意

(a) 由弧形摩擦納米發(fā)電機陣列供電的無線滑坡預(yù)警系統(tǒng)示意圖；

(b) 弧形摩擦電納米發(fā)電機在河流中驅(qū)動480盞LED燈；

(c) 河流中由弧形摩擦電納米發(fā)電機陣列供電的無線水質(zhì)監(jiān)測；

(d) 由弧形摩擦電納米發(fā)電機陣列供電的滑坡預(yù)警監(jiān)測。

【總結(jié)】

通過變廢為寶的方式使用回收的牛奶盒制作了一種新穎的、環(huán)境友好的和完全封裝的弧形摩擦納米發(fā)電機用于收集流體能量。更重要的是，通過弧形摩擦納米發(fā)電機驅(qū)動無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并在真實河流中進行了流體能量采集，進而實現(xiàn)了長期環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用（水質(zhì)監(jiān)測和滑坡預(yù)警）。

來源：材料人