研究背景
在万物互联时代背景下，物联网设备数量呈现爆发式增长，其应用场景已从智能家居、工业监控扩展到智慧城市、精准农业等多元领域。然而，海量分布式设备的能源供给问题已成为制约物联网可持续发展的核心瓶颈。传统电池供电模式面临续航有限、更换成本高、环境污染等固有缺陷，而固定线路供电又难以适应设备灵活部署的需求。因此，从环境废能中“就地取材”的能量采集技术应运而生。风能资源丰富、分布广泛，是理想的分布式能源。但大型风力发电机体积庞大、成本高昂，不适用于分布式、低成本的微小型设备供电。近年来，具备结构简单、成本低廉、部署灵活的微小型旋转风能采集器已成为研究热点。目前，微小型风能采集主要基于三种物理效应：压电效应、电磁感应和摩擦电效应。每种机制均有其固有特点与局限性。然而，现有综述多聚焦单一换能机制，缺乏对三种机制从空气动力学优化到智慧应用的全链条系统性对比。因此，有必要对三种能量转换机制进行系统性对比，厘清各自的优化策略、适用场景与性能边界，并从器件架构层面探索多机制协同的可行路径。
文章概述
针对这一话题，该综述从能量转换的全链条出发，系统梳理了旋转风能采集器的研究进展。首先，分析了压电、电磁、摩擦电三种机制的核心原理与数学模型。接着，对 “流体-机械过程优化—机械-电气过程优化—电能管理” 三个环节逐一进行了深入分析，覆盖微纳尺度到宏观设计。具体策略包括叶片优化、流道设计、结构创新、多模态设计、多能源混合集成、电荷传输优化、新材料开发、纳米结构改性以及电路设计等。此外，回顾了能量采集器在自供电风场传感监测、智慧农业、智能交通、空气净化、电化学和安全防护等跨学科领域的应用。总结并比较了不同能量转换机制在启动风速、电流、电压、功率、能量转换效率、机械耐久性、温湿度环境耐受性等方面的优缺点，同时指出了当前研究面临的性能评价标准不统一、多数工作停留于实验室验证、缺乏长期实际环境测试等挑战，并提出了涵盖器件设计、电源管理、性能表征与产业化的未来发展路线图。
该成果以“Rotational wind energy harvesters: Mechanisms, strategies, and self-powered intelligent applications”为题发表在著名期刊《Renewable and Sustainable Energy Reviews》上。论文第一作者为清华大学博士研究生廖卫林，清华大学方菲教授与黄旭东副研究员为论文共同通讯作者。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.rser.2026.117399
图文导读
图1：微小型旋转式风能采集器的概述.
图2：压电效应、电磁感应和摩擦电效应.
图3：流体-机械过程优化策略.
图4：压电风能采集器的机械-电气过程优化策略.
图5：电磁风能采集器的机械-电气过程优化策略.
图6：摩擦电风能采集器的机械-电气过程优化策略（第一部分）.
图7：摩擦电风能采集器的机械-电气过程优化策略（第二部分）.
图8：多模态设计策略.
图9：多源集成策略.
图10：电能管理模块优化策略.
图11：微小型风能采集器在自供电风场监测中的应用.
图12：微小型风能采集器在跨学科应用中的案例.
图13：微小型风能采集器的技术演变与部分代表性设计.
图14：微小型风能采集器面临的挑战与未来展望.
总结
当前，微小型旋转风能采集器的开发已取得显著进步：启动风速从>2.5 m/s降至<1 m/s，输出功率从μW级升至数百mW，能量转换效率从不足1%提升至10%以上。设计理念从静态优化演进为动态自适应调节，从单模态单能源走向多模态协同与多源集成，应用场景从单纯供电拓展至自供电传感、环境修复与智慧农业等交叉领域。例如，在流体-机械过程优化方面，叶片设计经历了从升力/阻力单一型到升-阻混合型、仿生型、自调节型的演进。然而，采集器的实际应用仍面临器件效率与带宽提升、统一评价标准建立、产业化验证等挑战。未来，通过与新材料、AI辅助设计、先进制造及智能电源管理的深度融合，旋转风能采集器有望在智慧城市、工业物联网、环境监测等领域实现大规模自供能部署，真正成为绿色智能时代的能量基石。
作者简介
第一作者：廖卫林，清华大学博士研究生。主要从事能量采集与传感一体化设计研究，在EES, RSER, Nano Energy, ECM, IJMS, Energy等期刊发表论文10余篇，担任EST, ECM, IJMS, IEEE TMECH, MSSP, CEJ等期刊审稿人。
通讯作者：方菲，清华大学航天航空学院工程力学系教授。主要从事绿色可持续能源收集和传感、复合材料力学、智能材料力学等研究。曾获国家自然科学二等奖、教育部科技奖一等奖、美国陶瓷材料学会年会二等奖等。
通讯作者：黄旭东，清华大学航天航空学院副研究员，主要从事计算流体动力学、机械控制系统以及振动能量收集等研究。
