Nano Energy综述:摩擦电纳米发电机的机械能转换系统:动力学和振动设计


【前言】

摩擦电纳米发电机(TENGs)代表了一种有前景的下一代可再生能源技术。到目前为止,因为TENGs具有各种优点,例如重量轻、材料选择自由、成本低和高功率转换,所以其已经成功地被用作高敏感自供电的物联网传感器和便携式/可穿戴电源。利用各种机械输入源的能力是TENGs的另一个显著优势。然而,输入源的不规则幅度和频率是目前阻止在工业或实际应用中使用TENGs的关键限制

【成果简介】

近日,来自韩国庆熙大学的Shinkyu Jeong和Dukhyun Choi(共同通讯)联合在Nano Energy上发表综述文章,题为“Mechanical energy conversion systems for triboelectric nanogenerators: Kinematic and vibrational designs”。作者将重点放在用于TENGs常规或受控运行的机械能量转换系统(MECS);为此,作者采用运动学或振动理论。一旦我们掌握了TENGs的机械操作,我们就可以预测这些器件的发电量。此外,机械频率匹配可以大大降低电路的功率损耗。从旋转运动到线性运动的运动控制,可以有效地提供接触分离模式TENGS的高频操作,使我们能够获得可持续的高性能TENGs。最后,TENGs的谐振系统设计可以产生最大的输出功率。因此,作者讨论了在设计带有TENGs的谐振系统时,如何考虑阻尼效应或非线性影响。最后,这一综述提供了一种有效的方法来避免浪费TENGs的不规则机械输入源,使TENGs的实际商业化更加可行。

【图文导读】

1. 基础理论

1.1. 动力学

图1. 运用数学分析研究点和物体运动的几何学

(a)三连杆系统运动学分析的概念。

(b)运动系统的使用和运动部件的举例。

图2. 齿轮运动模型

(a)齿轮,(b)凸轮从动件,(c)曲柄滑块,(d)矩形飞轮

1.2. 具有冲击非线性的振动系统

图3. 一种通用的弹簧-质量阻尼系统及其自由体图分析

(a)具有冲击非线性的振动系统动态分析的概念。

(b)振动系统的使用和三种基本振动结构的举例。

图4. 冲击非线性振动系统频率响应特性的参数

(a)两侧带有挡板的振动系统的分段模型。振幅频率响应模拟显示了(b)由于冲击导致的硬化现象,(c)共振频率位置随质量增加而向左偏移,以及(d)共振频率位置随刚度增加而向右偏移。(e)振动系统的共振设计协议。

2. TENGs的原理

2.1. TENGs的工作原理

图5. TENGs的四种不同运作模式

(a)垂直接触分离模式, (b)横向滑动模式,(c)单电极模式,和(d)独立式摩擦电层模式。

2.2. TENGs的机械变量

图6. 与TENGs开发相关的参数

TENG性能随各种参数变化: (a)与i)相对介电常数和ii)表面电荷密度相关的材料特性;(b)几何形状,包括i)表面形态,ii)接触面积,iii)电介质厚度,以及iv)间隙距离;(c)环境条件,包括i)相对湿度和ii)温度;和(d)确定i)接触频率和ii)接触力的输入能量水平。

3. TENGs的动能转换系统

在这一部分中,作者回顾了先前研究人员提出的各种TENGs动能转换系统。这篇综述将这些系统分为四个不同的类别:基于1)齿轮系、2)凸轮从动件、3)桁架和4)螺旋弹簧的TENGs。以前,动力学系统与大量发电集成在一起,例如利用蓝色能量的发电厂。这篇综述集中于TENGs的动力学系统,并展示了机械系统对TENGs发展的重要性。

3.1. 齿轮集成TENG系统

图7. 各种齿轮集成TENG系统

(a)基于齿轮和