王中林: 麦克斯韦位移电流助力旋转摩擦电纳米发电机有效电流传输

hanshuang

智能家居将自动化系统与家用电器集成，以提供远程监控和自动控制。但是，传感器、交换机等组件的供电限制了自动化系统的可持续性和便携性。此外，移动电子设备和电网之间的电线对于智能家居的设计非常不方便。基于环境能量采集器的自供电系统为此问题提供了潜在的解决方案。一方面，能量采集器可以连续驱动自动化系统; 另一方面，无线能量传输(WED)可以使移动电子设备可持续运行。摩擦电纳米发电机(TENG)作为一种新的机械能转换技术，自2012年发明以来引起了人们的广泛关注。混合结构可以进一步提高TENG的效率和适应性，但是由于结构设计导致的自由空间中的电场泄漏作为势能被忽略。最近，研究人员已证实漏泄场产生的麦克斯韦位移电流是TENG的基础，加深了对TENG工作机理的认识。

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、北京科技大学王宁教授、曹霞教授等提出了一种整合接触式TENG和断开式TENG的旋转TENG，用于转换旋转能量为智能家居供电，并在Adv. Energy Mater.上发表了题为“Efficient Delivery of Power Generated by a Rotating Triboelectric Nanogenerator by Conjunction of Wired and Wireless Transmissions Using Maxwell’s Displacement Currents”的研究论文。接触式TENG主要由定子和转子组成，它可以有效地收集环境旋转的机械能。有线元件可提供≈2mA和≈110V的输出，使用有限大小的集电极的无线元件可提供≈3μA和≈17.5V的输出电流和电压(功率密度为21.8 mW·m-2)，可为小型移动电子产品和数码相机充电。该研究扩展了TENGs在智能家居中的应用。

综上所述，作者已经证实基于麦克斯韦位移电流的WED集成旋转TENG有望为智能家居进行电力供应。特别是，TENG具有非常简单的结构，主要包含具有四个扇区的PP(聚丙烯)盘。此外，PP盘的新型工作模式主要为了避免与另一个摩擦电表面的持续摩擦。具有无线充电的TENG在2cm的垂直高度处收集，整流输出电流和电压分别为≈3μA和≈17.5V，功率密度最大值为21.8 mW·m-2，可为无线的小型移动电子设备供电。此外，当旋转器的旋转速率保持在500 r·min-1时，为WED所设计的TENG具有≈2mA和≈110V的更高电输出。最后，作者展示了集成式旋转TENG直接为电灯、手机和数码相机充电。该工作提出了一种用于收集旋转能量的新型混合TENG，并开发了麦克斯韦位移电流在自供电无线系统中的应用。

文献链接：Efficient Delivery of Power Generated by a Rotating Triboelectric Nanogenerator by Conjunction of Wired and Wireless Transmissions Using Maxwell’s Displacement Currents (Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201802084)