摩擦發電仿真的案例
基于comsol的摩擦發電動態仿真 ￥2200
<sup>[7]</sup><img> 在納米能源所，王中林團隊已開發出旋轉式直流<a href="https://baike.baidu.com/item/%E6%91%A9%E6%93%A6%E5%8F%91%E7%94%B5%E6%9C%BA/13475281" rel="nofollow">摩擦發電機</a>、<a href="https://baike.baidu.com/item/%E5%88%B9%E8%BD%A6/70507" rel="nofollow">剎車</a>發電模擬裝置、自驅動無線觸摸報警器、柔性透明摩擦發電機、碟式寬頻摩擦發電機、腳踏式摩擦發電機、<a href="https://baike.baidu.com/item/%E6%BD%AE%E6%B1%90%E8%83%BD/3553519" rel="nofollow">潮汐能</a>收集裝置等摩擦發電裝置。<sup> [8-9]</sup><img> 摩擦電發電機的動力源既可以是已被人們認識的風力、水力、海浪等大能源，也可以是人的行走、身體的晃動、手的觸摸、下落的雨滴等從沒被人們注意過的環境隨機能源，還可以是車輪的轉動、機器的轟鳴等。<sup> [8-9]</sup><img> 將來只要正常走路，安在鞋里的摩擦電發電機就能隨時為你自己隨身攜帶的手機充電。與工業大規模發電不同，摩擦電發電機可以讓運動著的每個人都“發電”，可以讓司空見慣的摩擦、擠壓、墜落等現象都變成發電的動力源。未來，汽車剎車就能發電充電；如果把摩擦電發電機鋪在馬路上，每一輛駛過的汽車都能參與發電過程。（轉載至百度百科）</p><p><img>本模型制作了摩擦發電的最基本原理模型，在穩態分析的基礎上，升級為瞬態動態分析，并設置了極化方向隨摩擦接觸切換。
展開 Comsol基于摩擦發電原理的自供電運動傳感器仿真 ￥1800
image_process=/format,webp/resize,w_219" alt="基于comsol的鋰電池疊片電化學耦合熱分析的圖1" width="219"></span></p><p><br></p><p> <img src="https://img.jishulink.com/upload/202012/03b6f11d1d224b0e917dfb3107ee9959.gif"> </p><p> 之前在NANO有一篇論文，描述了自供電運動傳感器仿真，采用了摩擦發電的原理：</p><p><span style="color: rgb(102, 102, 102); background-color: transparent;">摩擦納米發電機因其制備簡單,瞬時功率大,成本低等優勢,在環境能量采集和自供電傳感器設計方面具有廣泛的應用前景.為了激發學生對這一前沿領域的興趣和科研熱情,拓寬學生的知識面,該文設計了基于摩擦發電的高靈敏度自供電加速度傳感器.通過選取摩擦靜電序列差異較大的摩擦副材料,提高傳感器的輸出性能.金屬質量塊置于摩擦副的上表面,通過響應環境振動信號來驅動摩擦層進行接觸分離運動,使傳感器輸出與振動信號振幅對應的電信號.實驗結果表明,所研制的傳感器無需外界電源供電,其輸出靈敏度高達20.4 V/(m·s~(–2)),可廣泛用于實驗室物品掉落,傾倒,人體摔倒等振動信號檢測.相關教學實驗提高了學生的科研素養,創新思維和工程實踐能力.
展開 濟州大學《AEM》綜述：摩擦電納米發電機摩擦層和電極材料
摩擦電納米發電機(TENG)于2012年首次開發，已成為全球研究界理想的能源來源。TENGs的流行歸因于其重量輕、成本低、產量高、材料和器件設計廣泛。TENG已被研究用于許多應用，包括傳感、植入式電源、醫療保健和生物醫學應用。由于電荷密度(σ)是一種材料特性，因此TENGs的性能在很大程度上取決于材料。此外，還研究了2D材料作為傳統金屬電極的替代材料。聚合物和金屬在傳統摩擦電系列中的主導地位促使研究人員探索新材料，以擴大應用范圍，提高TENGs產量。
來自濟州大學的研究人員綜述了TENGs摩擦層和電極材料的研究進展。詳細討論了輸出增強的機理和器件的應用。最后，對TENGs材料發展的未來和相關挑戰進行了展望。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/aenm.202101170
本文從器件應用的角度系統地闡述了騰騰材料的研究進展。為了更清楚、更好地理解TENGs產量的提高機理，本文對其增產機理進行了逐一總結，并提供了相關資料。介紹了TENGs的基本知識、工作原理、器件模式和FOM。材料領域的巨大進步讓TENGs離商業化又近了一步。隨著新材料、電源管理電路和穩定器件的發展，可以取代或擴展電池等傳統電源。（文：SSC）
圖 1. TENG 的四種工作模式。
圖2.TENG中用作摩擦和電極材料的材料示意圖，包括2D材料、MOF、COF、天然材料和鐵電材料。
圖 3. 基于 2D 材料的 TENG 中主要里程碑的時間表。
圖4.A)G-TNG器件制作示意圖。B)石墨烯的輥對輥轉移過程和具有相應電壓輸出的TENG的三維設計。
展開 基于comsol的滑動摩擦發電
基于comsol的滑動摩擦發電
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湖南工業大學在商用織物摩擦納米發電方面取得進展
隨著便攜式和可穿戴電子設備需求的迅速增長，織物基摩擦納米發（TENG）電機因其舒適性和易與服裝集成的特點，受到廣泛關注。然而普通織物基摩擦納米發電機，因輸出性能較低，限制了其在實際中的應用。如何有效提升普通織物的摩擦發電輸出性能是其實用化的重大挑戰。
鑒于此，湖南工業大學經鑫教授課題組提出了一種普適簡易的改性方法，通過碳納米管（CNT）和聚乙烯亞胺（PEI）的接枝實現了商用天鵝絨織物摩擦電性能的顯著提升。通過在織物表面引入碳納米管和酰胺鍵，一方面構筑了微納層級結構，另一方面提升了織物的正電性，使織物具備更高的電荷密度和摩擦納米發電性能。
圖1 天鵝絨織物改性原理及微觀形貌
本研究開發的織物基摩擦納米發電機具有良好的柔性、耐洗性、長期運行穩定性。并可獲得119 V的最高輸出電壓和12.6 μA的電流，在外接5×106 Ω負載時，實現了3.2 W/m2的最大功率密度，可作為小型電子設備的電源。
圖2 織物基摩擦納米發電機水洗測試（a,b,c）及摩擦發電性能（d-i）
研制的織物基摩擦納米發電機具備優異的壓力傳感性能，并能夠簡易地與織物集成實現觸覺傳感。研究還制備了適于冬天使用的手套界面，展現了織物基摩擦納米發電機在人機界面應用中的巨大潛力。
圖3 織物基摩擦納米發電機傳感性能
本研究為提升織物基摩擦納米發電機輸出性能提供了新的思路，并為織物基摩擦摩擦納米發電機和自供電傳感器的設計開辟了一條新的途徑。
展開 海洋能摩擦納米發電網絡的能量管理
目前，大多數的波浪能發電裝置都是基于電磁感應發電機，具有笨重、體積龐大、昂貴、易腐蝕、在海浪頻率下效率低下的缺點。所以，需要尋找一種小型、輕量化、經濟的、一體化的水波能量收集方法。
摩擦納米發電機（TENG）提供了一種將機械能轉化成電能的新途徑，具有收集海洋表面波浪能的巨大潛能。由于與電磁發電機在物理機制上的根本差異，摩擦納米發電機有望成為收集低頻機械能特別是“藍色能源”的“殺手”應用。2014年王中林院士提出“藍色能源”的思想，將成千上萬的發電單元連接成TENG網絡用來收集大范圍的波浪能。之后，內嵌金屬球的格子狀結構和球殼結構單元組成的發電網絡被研制出來，以及通過彈簧和多層結構的引入，球形發電單元的性能得到了很大的改進。但是，由于大的阻抗和不平衡的負載匹配，發電機網絡很難直接驅動電子設備或者給儲存設備充電。所以，為了打破這一瓶頸，有效的能量管理是非常有必要的，這有利于實現更有效的水波能利用。
【成果簡介】
近日，中科院北京納米能源與系統研究所的王中林院士和張弛研究員（共同通訊作者）等人探究了面向海洋能收集的摩擦納米發電機網絡的能量管理技術與方法，并在Advanced Functional Materials上發表了題為“Triboelectric Nanogenerator Networks Integrated with Power Management Module for Water Wave Energy Harvesting”的論文，博士生梁茜、蔣濤副研究員和博士生劉國旭是論文的共同第一作者。在這項工作中，作者基于耦合彈簧及多層結構的球形發電單元，構建了海洋能收集的納米發電機網絡，并與能量管理模塊有效集成。
展開 新型摩擦電納米發電機：可利用人體運動實現無線供電！
導讀
近日，美國克萊姆森大學的科研人員開發出摩擦電納米發電機的無線版本，也稱為“W-TENG”，離利用摩擦電這一綠色能源進行無線供電的目標又更近了一步。
背景
摩擦起電是我們日常生活中經常遇到的一種物理現象，無論是梳頭、穿衣還是走路、開車時都時常會遇到。但是，摩擦電很難被收集和利用，因此它的價值往往被人們所忽視。
不過，去年筆者曾介紹過中國科學院、重慶大學、美國佐治亞理工學院、臺灣科技大學等科研機構的科研人員組成的團隊，在中華民族傳統的剪紙藝術啟發下，利用了摩擦電，開發出一種輕量的、剪紙式樣裝置，采集來自人體運動的能量。
（圖片來源：美國化學會）
其中的核心技術就是：摩擦電納米發電機（TENG）。它能夠采集我們四周的機械能為電子設備充電。舉個例子，未來我們可以在鞋子中安裝摩擦電發電機，只要正常走路，就可以為自己隨身攜帶的手機充電。
接下來，簡單介紹一下TENG 的發電原理：在TENG 的內部電路中，由于摩擦起電效應，兩個摩擦電極性不同的材料薄層之間會發生電荷轉移，從而在二者之間形成電勢差；在TENG 的外部電路中，電子在電勢差驅動下，在分別粘貼在摩擦電材料層背面的兩個電極之間或者電極與地之間流動，從而來平衡這個電勢差。
然而，還是有不少人懷疑摩擦電納米發電機的可行性和實用性。之后，筆者在《可穿戴設備通過人體運動供電，可行嗎？》文章中，介紹了韓國三星綜合技術研究院的一項最研究。該研究證明：摩擦電納米發電機能夠滿足小型可穿戴設備和便攜式電子設備的能耗需求。
（圖片來源：參考資料【2】）
創新
近日，美國克萊姆森大學納米材料研究所（CNI）的研究人員離使用摩擦電（一種綠色能源）為世界無線供電的目標又更近了一步。
展開 河南大學程綱Advanced Functional Materials: 摩擦納米發電機的無源高效電
摩擦納米發電機 (TENG) 作為一種全新的能源獲取方式，通過摩擦起電與靜電感應的耦合，可以將環境與人體運動產生的機械能直接轉化為電能。相比于傳統的電磁感應發電機，其在低頻機械能的收集中具有優勢，并且具有結構簡單、成本低廉的優點。目前，TENG不僅可以收集風能、振動、水滴、水流、波動的能量，也可以發展光、氣體、聲音、脈搏、溫度等自驅動傳感系統。TENG的輸出具有電壓高、電流低的特性，需要使用電源管理電路（PMC）將其電能高效存儲起來，以滿足小型電子器件的供電要求。但是，TENG的輸出阻抗大，與PMC的阻抗不匹配，是發展高效PMC所面臨的重要問題。
【成果簡介】
近日，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室程綱教授在Advanced Functional Materials上發表了題為“High energy storage efficiency triboelectric nanogenerator with unidirectional switch and passive power management circuit”的文章。報道了一種單向開關式摩擦納米發電機 (TENG-UDS)，并將其應用到電源管理電路 (PMC) 中。TENG-UDS的等效阻抗小于1 kΩ，可以在1 kΩ到1 GΩ的負載范圍內保持輸出能量的最大化，不受負載電阻的影響。而且由于開關中雙觸頭的設計，無需整流實現了單向的電學信號輸出。在此基礎上，設計了由電感、二極管和儲能電容等簡單原件組成的無源PMC。理論計算結果表明，該無源PMC的總能量存儲效率可以達到75.8%。在對10 μF電容的實際充電測試中，總能量存儲效率可以達到48.0%。演示結果表明，利用此PMC所存儲的電能可以驅動商用電子表和高亮度的QLED器件。
展開 AEM：滑移式電荷泵穩壓增流技術提升摩擦納米發電機性能
：用于火災逃生和救援的可機械化生產的3D蜂巢組織阻燃摩擦納米發電織物
中科院納米能源所王杰&王中林團隊《自然通訊》：基于摩擦納米發電機的形狀可設計且高度壓縮回彈的三維編織結構智能發電和傳感織物
中科院納米能源所蒲雄、胡衛國&王中林團隊在可拉伸自充電織物領域取得新進展
中科院納米能源所蒲雄研究員、胡衛國研究員、王中林院士團隊研制出一種可任意變形和瞬時自愈合的摩擦納米發電機
北京大學付恩剛教授課題組與中科院納米所陳翔宇研究員和王中林研究員課題組合作：在摩擦納米發電機材料領域取得重要進展
北石化楊丹副教授聯合中科院納米能源所陳翔宇研究員《Nano Energy》：利用摩擦納米發電機驅動離子聚合物金屬復合材料取得進展
城大王鉆開教授、UNL曾曉成教授和納米能源所王中林院士合作Nature:用一滴水點亮了100個LED燈
中科院納米能源所王中林院士團隊:具有超高輸出穩定性與耐久性的低頻摩擦納米發電機
華中科技大學吳豪研究員團隊和中科院納米能源所王中林院士合作在機器人電子皮膚領域取得新成果中科院納米能源所王中林院士課題組和普渡大學范鳳茹博士合作：一種具有良好柔性、耐久性的高性能木基摩擦納米發電機
中科院納米能源所王中林院士、潘曹峰研究員 ACS Nano：面向閉環系統的電子皮膚
中科院納米能源所王中林院士團隊：纖維/織物基壓電和摩擦電納米發電機應用于可穿戴電子和人工智能系統
中科院納米能源所李舟研究員、王中林院士團隊和北航樊瑜波教授團隊合作：仿電鰻可拉伸水下發電機及其應用研究獲進展
中科院納米能源所李舟研究員、王中林院士團隊和北航樊瑜波教授團隊合作
展開 摩擦電納米發電機的機械能轉換系統:動力學和振動設計
【引言】
摩擦電納米發電機(TENGs)代表了一種有前景的下一代可再生能源技術。到目前為止，因為TENGs具有各種優點，例如重量輕、材料選擇自由、成本低和高功率轉換，所以其已經成功地被用作高敏感自供電的物聯網傳感器和便攜式/可穿戴電源。利用各種機械輸入源的能力是TENGs的另一個顯著優勢。然而，輸入源的不規則幅度和頻率是目前阻止在工業或實際應用中使用TENGs的關鍵限制
【成果簡介】
近日，來自韓國慶熙大學的Shinkyu Jeong和Dukhyun Choi（共同通訊）聯合在Nano Energy上發表綜述文章，題為“Mechanical energy conversion systems for triboelectric nanogenerators: Kinematic and vibrational designs”。作者將重點放在用于TENGs常規或受控運行的機械能量轉換系統(MECS)；為此，作者采用運動學或振動理論。一旦我們掌握了TENGs的機械操作，我們就可以預測這些器件的發電量。此外，機械頻率匹配可以大大降低電路的功率損耗。從旋轉運動到線性運動的運動控制，可以有效地提供接觸分離模式TENGS的高頻操作，使我們能夠獲得可持續的高性能TENGs。最后，TENGs的諧振系統設計可以產生最大的輸出功率。因此，作者討論了在設計帶有TENGs的諧振系統時，如何考慮阻尼效應或非線性影響。最后，這一綜述提供了一種有效的方法來避免浪費TENGs的不規則機械輸入源，使TENGs的實際商業化更加可行。
展開 王中林院士Nano Energy：電荷泵浦實現超高電荷密度摩擦納米發電機
【本文亮點】
（1）提出了一種浮置層結構，可以積累并束縛超高密度電荷，用于靜電感應
（2）設計了一種電荷泵，可以持續地向浮置層中泵送電荷
（3）在普通環境條件下，基于浮置層結構和電荷泵的電荷自泵浦TENG集成器件實現了1020μC/m2的超高有效表面電荷密度
（4）這項工作提出了一個簡單而普遍的策略，可以大幅提高TENG的電荷密度以及輸出
【引言】
摩擦納米發電機（triboelectric nanogenerator, TENG）的工作原理基于摩擦起電及靜電感應效應。表面電荷密度對于摩擦納米發電機的性能至關重要。一般而言，TENG的輸出功率與表面電荷密度呈二次方關系。在一定的接觸或摩擦強度下，電荷密度主要受限于兩個方面的因素：一是具有一定表面形貌的摩擦材料配對的摩擦起電能力，二是由氣隙擊穿引起的電荷損失。現有已提出了基于材料選擇、表面改性、結構優化或環境控制等多種方法以提高電荷密度，但是這些方法仍存在著很多方面的限制，在電荷穩定性上還存在問題，或在封裝等方面提出了較高的要求。
【成果簡介】
近日，在中國科學院北京納米能源與系統研究所所長、佐治亞理工學院校董教授王中林院士和張弛研究員（共同通迅作者）的帶領下，許亮博士和布天昭等人組成的研究團隊為提高TENG器件的電荷密度，設計了一種具有浮置層結構和電荷泵浦能力的電荷自泵浦摩擦納米發電機（self-charge-pumping triboelectric nanogenerator, SCP-TENG）器件。所設計的浮置層結構可以積累并束縛超高密度電荷，并產生靜電感應效應，電荷泵浦可以持續地向浮置層中泵送電荷，基于兩者的SCP-TENG器件在普通環境條件下，實現了1020μC/m2的超高有效表面電荷密度，達到了空氣擊穿電荷密度閾值的4倍左右，創造了新的電荷密度記錄。
展開 
王中林院士團隊：基于彈簧輔助多層結構的球形摩擦納米發電機高效水波能量收集
該研究成功制備了一種用于有效收集水波能的球形摩擦納米發電機，通過結構設計與優化，其輸出電流和輸出功率較以往工作均有較大幅度提高，顯示了納米發電機在大規模收集水波能中的潛在應用價值。
來源：高分子科學前沿
王中林教授《ACS Nano》：電荷補償機制實現摩擦納米發電機穩定超高電壓輸出
摩擦納米發電機（Triboelectric nanogenerator, TENG）被認為是一種高開路電壓的器件，并已應用于驅動離子源、等離子源、靜電紡絲及介電彈性體等，然而，要達到數千伏的高壓往往需要較大的器件面積、較高的摩擦力或者外加倍壓電路，并不能完全滿足實際應用的需求；此外，文獻中報道的開路電壓值也具有較大的離散性。如何利用TENG在微弱機械驅動下高效率產生穩定高電壓輸出是一個需要解決的重要課題。
近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所所長、佐治亞理工學院終身校董事講席教授王中林及華中科技大學教授尹周平等領導的研究團隊成功研制出了一種利用電荷補償機制實現TENG穩定超高電壓輸出的方法。研究人員發現，通過在TENG中引入一個由高壓二極管構成的電荷補償通道，可以顯著提升TENG的開路電壓，對于接觸分離式TENG，開路電壓可由約230V提升到3300V以上，提升了10余倍，如果對發電機進行并聯或電暈極化，輸出的開路電壓可進一步提升，最高可達到7000V，同時實現了將高壓電容充電到數千伏。以上高電壓都可以在輕輕按壓TENG的情況下實現穩定輸出。研究人員還設計了實驗方法，對上述高電壓進行了直接測量表征。該電荷補償機制的工作原理是通過二極管對開路情況下TENG兩電極中的耗散電荷自動進行補償，從而使電極中的電荷分布維持在最有利于產生高電壓輸出的狀態。通過相關理論分析也解釋了實驗中測得的開路電壓具有離散性的原因。基于此高壓TENG制作了自驅動靜電吸附系統，通過按壓TENG為靜電吸盤供給高壓電，成功實現了對導體、半導體及絕緣體的吸附及操縱，并實現了吸附重量約0.35Kg的重物。此工作提出了一種基于TENG的穩定超高電壓源及高電壓產生機制，由于該機制的普適性，也將可應用于其它模式TENG的電壓增強，在各種需要輕便、柔性、低成本的超高電壓源的場合具有廣闊的應用前景。
展開 Nano Energy：變廢為寶的摩擦納米發電機所驅動的無線傳感網絡及環境監測應用
【圖文導讀】
圖1.電子設備和物聯網產生的數碼數據的增長趨勢
(a) 回收的牛奶盒示意圖;
(b) 牛奶盒外殼薄膜示意圖;
(c) 弧形摩擦納米發電機的結構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) 弧形摩擦電納米發電機的結構示意圖；
(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電機的實物圖
(f) 由弧形摩擦納米發電機陣列供電的無線水質監測系統的示意圖。
圖2. 弧形摩擦電納米發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.
展開 重慶大學胡陳果&中科院王中林Nano Energy: 摩擦納米發電機用于指關節屈伸運動的量化傳感
該論文報道了采用摩擦納米發電技術設計的關節旋轉量化傳感器（joint motion triboelectric quantization sensor, jmTQS），采用復合柵格滑動模式產生正/負脈沖分別代表手指屈/伸過程，通過對單位時間內產生的脈沖計數來量化手指屈伸的角度及速度，并以此為基礎構建了人手-機械手的同步控制系統。該研究的亮點為利用摩擦納米發電機結構的靈活設計產生正/負脈沖實現對手指屈/伸角度、速度和方向的直接量化，由于手指的任一彎曲角度均對應一個絕對數值，因此基于該傳感器的機械手同步控制系統可以在運動過程中從任意斷點恢復操作而無需回到起始位置。
【圖文導讀】
（注：以下所有插圖均來自文后文獻）
圖一：jmTQS的結構
(a) jmTQS的多層結構；
(b) 電極層的復合柵格結構和滑動層的復合柵格結構；
(c) 可調節的固定裝置設計、實物圖及佩戴演示。
圖二：手指關節屈伸運動通過jmTQS傳感的生理學基礎
(a) 人手指骨結構；
(b) 模擬指關節屈/伸運動的鉸鏈模型；
(c) 鉸鏈模型的驗證；
(d) 驗證指關節旋轉角度和關節處的拉伸位移間的線性關系。
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