電磁感應發電機是目前電力供應的主要發電方式，但是電磁感應發電機在低頻的條件下輸出功率較低，將機械能轉化為電能的效率仍有一定的提升空間。利用摩擦起電和靜電感應效應，能高效地將低頻機械能轉化為電能。與單獨的電磁和摩擦發電機相比，摩擦電磁混合奈米發電機(E-TENG)具有提供更高電壓和更高電流。因此，將摩擦奈米發電機和電磁感應發電機相結合，可以彌補電磁感應發電機在低頻下收集能量的不足，而且具有進一步提高能量轉化效率的潛在價值。
Hybrid Triboelectric-Electromagnetic Nanogenerators for Mechanical Energy Harvesting: A Review João V. Vidal*, Vladislav Slabov, Andrei L. Kholkin*, Marco P. Soares dos SantosNano-Micro Letters (2021)13: 199https://doi.org/10.1007/s40820-021-00713-4
本文亮點
1. 提供了用於摩擦電磁混合奈米發電機的最新綜述。2. 對旋轉、鐘擺、線性、滑動、懸臂、柔性葉片、多維和磁電混合技術進行了全面分析。3. 摩擦電磁混合奈米發電機在小規模和大規模供電方面具有潛在的應用。
內容簡介
葡萄牙阿威羅大學Andrei L. Kholkin和João V. Vidal等在本文中對電磁-摩擦電振動能量收集領域的近期重大突破進行了全面回顧。對包括旋轉、擺、線性、滑動、懸臂、柔性葉片、多維磁電以及混合技術進行了詳細分析。此外，本綜述首次系統地深入分析了新興摩擦電磁混合奈米發電機技術的重大突破，重點介紹了理論轉換機制、結構設計和應用以及未來展望。
圖文導讀
I 轉導機制模型
1.1 摩擦奈米發電機(TENGs)的工作機制
TENGs的執行機制是基於摩擦起電和靜電感應效應的綜合現象。靜電感應包括由高斯定律描述的相反符號的摩擦靜電電荷的物理分離產生的電力和電場在物體上感應的電荷的重新分佈。摩擦起電效應是由於兩種物理接觸的不同材料表面上的靜電荷轉移所致。
圖1. 基於摩擦電效應和靜電感應的組合現象的接觸分離TENG的工作迴圈示意圖。
圖2. TENG的四種操作模式，包括垂直接觸分離、橫向滑動、單電極和獨立層模式。
1.2 電磁奈米發電機(EMGs)的工作機制
EMG是目前最常用的發電機型別，基於電磁感應現象或透過變化的磁通量線上圈中產生電動勢。由電流驅動的永磁體或線圈用於產生靜態或隨時間變化的磁場。然後，透過隨時間變化的磁場或其相對於磁場線的運動或變形線上圈中感應電動勢。根據楞次定律，所產生的電流會產生與磁通量變化相反的磁場，從而透過動量守恆產生與其相對運動(即阻尼)相反的力。
圖3. 基於電磁感應現象的線性磁鐵/線圈EMG工作迴圈的示意圖。
II 摩擦電磁混合奈米發電機(E-TENGs)設計和應用
E-TENG的設計配置至關重要，因為它顯著影響發電效率、機械輸入型別(旋轉、平移或任意)以及輸入幅度和頻率的操作範圍。EMG和TENG兩個系統使用不同的架構進行整合，並針對不同型別的機械輸入，包括旋轉、線性和多維運動。
2.1 旋轉發電機
圖4. 基於旋轉架構的混合E-TENG技術。
2.2 擺式發電機
圖5. 基於鐘擺架構的混合E-TENG技術。
2.3 線性發生器
圖6. 基於線性架構的混合E-TENG技術。
2.4 滑動發電機
圖7. 基於滑動架構設計的混合E-TENG技術。
2.5 懸臂式發電機
圖8. 基於懸臂架構設計的混合E-TENG技術。
2.6 靈活的葉片發電機
圖9. 基於靈活架構的混合E-TENG技術。
2.7 多維生成器
圖10. 基於多維架構設計的混合E-TENG技術。
2.8 磁電發電機
圖11. 混合磁-機械-摩擦電技術。
III 各種E-TENG設計的比較
不同型別的混合E-TENG技術的特點：
(1) 旋轉E-TENG特別適合從水流和風流中獲取能量。
(2) 鐘擺發生器與重力勢能和動能之間的有效轉換相關。
(3) 具有線性結構的發電機可用於從各種振動源收集能量，包括生物力學、過往車輛、工作機械和藍色能源。
(4) 滑動發生器類似於線性發生器，儘管它們需要更大的橫截面積與長度之比，並且大多對橫向滑動或類似剪下的運動敏感。
(5) 懸臂形發生器能夠提供低頻尖銳共振峰，以及沿結構長度的大應變和應力。
(6) 柔性葉片發電機包括薄的柔性板，它們對微弱的氣流很敏感，因此非常適合收集氣流能量。
(7) 多維發電機能夠從各種運動和振動源中提取動力。磁電發電機能夠將機械能和磁場能量轉換為電能。
IV 結論與展望
這篇綜述深入而系統地探討了在機械能量收集的摩擦電磁混合奈米發電機領域內已經取得的最新相關的突破。提出了摩擦奈米發電機(TENGs)和電磁奈米發電機(EMGs)的理論轉導機制模型。分析了不同型別的混合E-TENG的結構設計以及相應的機電特性和應用。混合E-TENG可以利用其理想的互補高電壓和高電流特性以及更寬的工作頻寬，提供更有效的振動能量轉換。TENG能夠有效地從低頻(< 1 Hz)和低幅度(< 1 mm)動能中收集電能，提供大輸出電壓。E-TENG還可以串聯或並聯連線，或獨立使用，以輸出高電壓或電流，以滿足特定應用的定製要求和適用性。
Andrei L. Kholkin----本文通訊作者
葡萄牙阿威羅大學 教授
▍主要研究領域鐵電薄膜和奈米結構的加工、表徵和應用；鐵電體和相關材料的介電、壓電和鐵電特性；能量收集和儲存材料；感測器和執行器、MEMS、智慧系統；鐵電聚合物、生物鐵電體和仿生極性材料。
▍Email: [email protected]▍個人主頁www.ciceco.ua.pt/Kholkin
