风能收集型摩擦纳米发电机研究进展

王启曼 ,李文豪 ,郭家玮 ,王 堃 ,吴朝兴,3

(1.福州大学 先进制造学院,福建 泉州 362251;2.福州大学 物理与信息工程学院,福建 福州 350108;3.中国福建光电信息科学与技术创新实验室(闽都创新实验室),福建 福州 350108)

合理使用资源和保护自然环境有利于环境友好型社会的建立。然而,人们对化石燃料的过度消耗,带来了能源短缺和环境污染[1-3],这使得探寻新型绿色环保能源成为迫切需求。自然界中蕴藏着丰富的机械能,如行走的动物、落下的树叶、风吹动的花草等。人体也会产生许多机械能,例如,心脏输出功率为1.4 W[4]。2012 年王中林教授首次提出并研发摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,TENG)新能源技术[5]。TENG 技术的一个重要应用是将生活中各种微小、无规律的机械能有效地转化为电能。TENG 是继电磁感应式[6]、压电式[7]、静电式[8]机械能装置后全新的一种能量转换器件,为机械能的高效使用带来新契机。众多机械能中,风能具有独特的优势,其分布广泛、风速范围大、不受昼夜变化和气象条件影响,是一种理想的自然环境能量。除此之外,风能蕴量巨大,每年地球上可用来发电的风力资源约为1300 亿千瓦,几乎是当今全世界水力发电量的10 倍[9-10]。因此TENG 收集风能依然有着广阔的应用前景,如图1所示。

图1 风能收集型TENG 应用概况Fig.1 Applications of TENG for wind energy harvesting

风能收集型TENG 的研究主要包括器件结构设计、材料处理、电源管理等。结构设计决定TENG 能否高效地将风能转化为摩擦层间的相对运动,直接影响器件的性能。为改善TENG 输出性能,通常利用物理、化学方法修饰材料,进而增强材料表面粗糙程度以及接触起电能力。同时由于TENG 高电压、低电流和高输出阻抗特性,需要通过电源管理电路提高能量转换效率[11]。本文主要从风能收集型TENG 的结构、材料和电源管理三方面进行了归纳和总结,并对其未来的应用和发展进行了展望。

1 TENG 的基础理论

1.1 工作原理

通过TENG 实现机械能到电能的转换需要两个重要物理过程的参与,即接触起电和静电感应[12]。两种不同材料相接触时,由于接触起电效应,材料表面将携带极性相反电荷。在外力作用下两种材料分开时,相对应的电极将产生感应电势差,该感应电势差将驱动电子通过外电路在两电极间移动以平衡电势差,从而形成流过负载的电流。当在外力作用下两种摩擦材料再次接触时,电子在外部电路反向移动,形成反向电流。上述过程不断循环,从而实现机械能到电能的转换。

1.2 工作模式

TENG 按照工作模式分类,有垂直接触-分离式、水平滑动式、单电极式和独立层式[13]。垂直接触-分离式是TENG 最基础的工作模式[14-15]。如图2(a)所示,受外力作用时,上下两介电层在垂直方向上接触分离,导致两电极间产生感应电势差,电子在两电极间移动以平衡电势差。水平滑动式与垂直接触-分离式结构相似,主要区别在于运动方向不同[16-17]。如图2(b)所示,两介电层沿水平方向持续发生相对滑动时,电子在外部电路移动以抵消电势差。单电极式是在前两种工作模式的基础上设计的,仅底部有电极,并且直接接地,如图2(c)所示。大地与底部电极形成回路,电子在这一回路上移动,这种工作模式可以用在接触-分离结构和滑动结构[18-20]。独立层式是前两种工作模式的延伸:两个对称电极置于介电层背面,带电物体在两电极间做往复滑动时,连接两电极间的负载会有交流电通过(图2(d))[21]。这种工作模式避免持续摩擦,进而延长TENG 的使用寿命。目前TENG 无论以单一或是混合模式工作,都基于上述四种基本工作模式[22]。

图2 摩擦纳米发电机的四种基本工作模式[22]。(a) 垂直接触-分离模式;(b) 水平滑动模式;(c) 单电极模式;(d) 独立层模式Fig.2 Four fundamental modes of TENG[22].(a) Vertical contact-separation mode;(b) Lateral-sliding mode;(c) Single-electrode mode;(d) Freestanding triboelectric-layer mode

2 结构优化

TEGN 器件结构设计的核心是在外力驱动下实现摩擦层间的周期性相对运动。对于风能收集型TEGN,其结构设计思想为将风对TENG 的机械扰动充分转换为摩擦层间的连续性相对运动。本文首先以四种工作模式进行结构分类,综述近年来风能收集型TENG 在结构优化方面的研究进展。

2.1 基于垂直接触-分离模式结构

基于垂直接触-分离工作模式的TENG 结构有拱形结构、多层叠加结构和间隔物结构等。在风能收集方面,旗帜型和风车状是比较常见的两种结构设计。Zhao 等用镀有镍的聚酯纤维和携有铜的聚酰亚胺编织一种旗帜型摩擦电纳米发电机(WTENG-flag)(图3(a))[23]。每个编织单元中,两电极间留有间隙,以便风驱动两编织材料不断接触分离。相比其他旗帜型结构,WTENG-flag 重量轻(15 g 以内),较为灵活,可任意调整方向捕获风能。风速为22 m/s 时,开路电压和短路电流分别为40 V,30 μA。这种风力发电旗在天气、环境传感和监测系统中具有潜在的应用前景。但是,随着环境周围湿度的增加,WTENG-flag 输出性能急剧下降。当相对湿度从10%增加到96%时,输出电流由22 μA 下降至8 μA。并且大多数实验已证明湿度对TENGs 的输出效果有一定的影响[24-25]。

低速风能的收集一直困扰着研究人员,这是因为全球地表附近的平均风速(观测高度为10 m)约为3.28 m/s[26-27]。重庆大学王雪教授用TENG 和电磁发生器(EMG)组成风车式混合纳米发电机(W-HNG)[28]。W-HNG 由四个独立的混合纳米发电机组装,每个单元由TENG 和EMG 组成(图3(b))。此外,该工作用弹簧钢板作为TENG 的电极,弹簧钢板同时充当加速器角色。它可以储存弹性势能并将其转换为动能,进而提高接触分离速度和接触强度,器件性能进一步得到改善。实验结果显示W-HNG 可收集低至1.8 m/s 的风能,点亮商用LED 灯70 个,最大输出电压达到1150 V,具有出色的输出性能。该W-HNG 结构避免了传统旋转型风力发电机普遍存在的巨大旋转阻力和由于长期摩擦而出现的磨损,有望使得TENG 的使用寿命得到延长。

2.2 基于水平滑动模式结构

Xie 等采用风杯,提出一种旋转式摩擦电纳米发电机(R-TENG)[29]。整个装置主要包括框架、轴、柔性转子叶片和两个定子,而框架整体又由两个垂直、同轴并连在一起的矩形亚克力框组成。该结构利用安装在轴顶部的风杯,将风能转换为转轴和柔性转子的旋转能,进而驱动转子周期性扫过定子。R-TENG 采用垂直接触-分离和水平滑动混合模式,实现两表面之间的接触-滑动-分离-接触这一重复过程(图3(c))。当风速为15 m/s 时,此装置可以产生250 V 的开路电压和0.25 mA 的短路电流,最大功率密度有39 W/m2。此结构具有如下优点:(1)R-TENG 不需要其他复杂的转动单元、线圈或电磁铁;(2)R-TENG 易于制造,体积紧凑。该结构设计为风力发电机引入一种新的运行机制,实现了传统发电技术与新型发电技术的有效结合。但是低速风能难以为R-TENG 提供持续稳定的驱动力,该类型器件对于低速风能的收集能力有待进一步提高。

图3 (a) WTENG-flag 制备流程示意图及工作原理[23];(b) 类似风车的混合纳米发电机(W-HNG)结构示意图和工作原理[28];(c) 基于接触-滑动-分离-接触混合过程R-TENG 的工作原理示意图[29]Fig.3 (a) Schematic diagram of the fabrication process and working mechanisms of WTNEG-flag[23];(b) Schematic diagram of the windmill-like TENG and working mechanisms[28];(c) Schematic diagram of the working mechanisms of R-TENG based on a hybridization of contact-sliding-separation-contact process[29]

2.3 基于单电极模式结构

颤振驱动结构是一种典型的风能收集型TENG 制造策略。2013 年,Yang 等报道了一种颤振结构的风能收集型TENG[30]。制备的TENG 由两片铝箔和一层聚全氟乙丙烯(FEP)薄膜组成,FEP 位于由亚克力制作的长方体中,其中一边被固定在底面。FEP 薄膜的风致振动导致两个铝箔和FEP 薄膜之间的距离发生周期性改变(图4(a)),从而通过外部电路输出电压和电流。尺寸为2.5 cm×2.5 cm×22 cm 的发电机可直接驱动10 个商用LED,在100 MΩ 负载下产生高达100 V 的输出电压。这种风能转换装置难以实现全方位收集风能,并且存在摩擦层接触不充分的问题。针对此结构自身存在接触不充分问题,厦门大学一研究团队提出角形TENG(ASTENG)[31]。在该结构中,两个铝层堆叠为一个角形,FEP 薄膜放置夹角中。AS-TENG 引入楔形导风通道,为颤振提供驱动力,FEP 薄膜可充分密切地接触铝层,增强了接触带电和静电感应效果(图4(b))。

2020 年,中国北京科技大学张越教授等提出一种不倒翁形状的混合摩擦电纳米发电机(TH-TENG),可以在收集风能的同时采集水波能量[32]。TH-TENG由上下两部分组成,上半部呈锥形,下半部为半球形,上锥体的电极与下半球相连(图4(c))。不同材料和直径的轻质空心球放置于半球内部,整个结构完全封装。外部为单电极接触分离模式,内部为单电极滑动模式,内外工作模式协同增强了输出效果。该结构独特之处在于整体结构设计为上部轻,下部重,保证THTENG 发生偏离时,可自行回归平衡位置。此外,封闭的结构避免了外界环境对输出参数的干扰。此结构为混合能量的获取提供了新思路。

图4 (a) TENG 的示意图及工作原理[30];(b) AS-TENG 的设备结构[31];(c) TH-TENG 单位示意图及工作原理[32]Fig.4 (a) Schematic diagram and working mechanisms of the TENG[30];(b) Device structure of AS-TENG[31];(c) Schematic diagram and working mechanisms of the TH-TENG unit[32]

2.4 基于独立层模式结构

大连海事大学徐敏义教授课题组构建了一种基于独立层模式的旗帜式摩擦电纳米发电机(Flag-type TENG)(图5(a))[33]。电极和聚四氟乙烯膜(PTFE)封装在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)中,摩擦层与空气隔离。确保在许多自然条件下,尤其潮湿环境下运行不受影响,依然有效地捕获风能。为进一步提高旗式TENG 的性能,两个旗式TENG 以一定的间隔距离固定,功率密度比仅有一个旗型TENG 提高近40 倍,50 μF 电容可以在150 s 内充电至3 V。这种新型旗帜型TENG 在高湿度条件下收集风能具有很大的优势,有望满足新型TENG 收集风能的需求。

气象学家把风力分为12 个级别,可见风能有较宽的风速范围。为尽可能地扩大收集风能的风速范围,重庆大学王季宇团队联合中科院北京纳米能源与系统研究所共同提出一种双旋转轴TENG(D-TENG)[34]。D-TENG 采用同心圆双转轴结构,将两个具有不同形状、尺寸和风杯臂长的独立TENG 合理组装起来(图5(b))。此结构设计受汽车换挡系统的启发,将不同结构参数的能量捕获模块组装成一个单元,实现不同风速下的高效输出。在保证不同模块在功能和结构方面具有一定的独立性和完整性的情况下,通过模块间的相互切换,完成不同区间风能的采集,还存在一些技术难题。但是通过这种组合方式可以在更宽的风速范围内达到最佳输出性能,有效收集风能的风速范围为2.2～16 m/s,最大开路电压达到306 V。D-TENG 采用的独特结构可以高效地大规模收集不同风速的风能,把此结构优势发挥到极致。

图5 (a) Flag-type TENG 示意图和工作原理[33];(b) 双转轴TENG(D-TENG)的结构示意图及在软摩擦模式下的工作原理[34]Fig.5 (a) Schematic diagram and working mechanisms of Flag-type TENG[33];(b) Schematic diagram of the dual-rotation shaft TENG (D-TENG) and working mechanisms in the soft friction mode[34]

3 材料优化

除了采用结构优化外,材料物理化学性能的优化同样有助于改善TENG 的输出性能。Wilcke 在1957 年发表了关于静电荷的摩擦电序列的研究成果[35-37]。除了图6 中常见的材料之外,研究人员不断探寻具有独特优势的新型材料,如易降解、无污染等优势。此外,对材料进行预处理,通常使用微加工的方法修饰材料表面形貌,表面功能化可以一定程度地改变摩擦材料表面电势,有效提高摩擦起电效应。

图6 常见材料的摩擦序列Fig.6 Friction sequences of common materials

3.1 新型材料

新型材料的使用为改善器件性能提供了一个简单而有效的策略。同时也避免一系列环境污染事件的发生,提高了人类生存质量。因此,绿色环保和易降解的新型材料的探索性研究具有重要意义。

农村普遍存在的麦秸,有良好的生物降解性,已被广泛用作天然肥料。马平等研制一种基于小麦秸秆的摩擦纳米发电机(WS-TENG)[38],相比其他TENG而言,材料使用上更环保,其主要采用可生物降解的小麦秸秆为制备材料。对麦秸秆进行扫描电镜观察,发现小麦秸秆具有有序的条状和表面纹理微观结构(图7(a,b)),是一种理想的摩擦层。当振动频率为4 Hz时,WS-TENG 的输出电压可达250 V。此外,麦秸有良好的柔韧性和优异的防水性能,可作为一种制作TENG 的新型材料。

鲜叶和落叶在自然界中比较常见,如果这些叶子可以通过一个简单的能量收集装置来收集机械能,这对环保和废物回收有重要意义。Feng 等以叶片为材料制作TENG,测得基于新鲜叶片的TENG 短路电流和输出电压分别为15 μA 和430 V,基于干叶的器件性能则可达到25 μA 和560 V[39]。为充分利用叶片,可以将易碎的干叶片磨成粉末使用。新鲜叶片被制成摩擦层后仍能保持原始表面结构,即微结构和纤维结构(图7(c,d))有助于扩大表面接触面积。随着现代生活水平的提高,纸巾已经是一种不可缺少的生活用品。本课题组设计了一种基于纸巾TENG(P-TENG)(图7(e))[40-41]。由于纸巾的超柔性,P-TENG 可以收集任意方向的风能。风速约为20 m/s 时,开路电压有2 V左右。相比其他硬纸板,纸巾更具有灵活性,可随意折叠且不影响器件性能。纸巾的原材料有很多种,常用的有棉浆、草浆、木浆等,这些都是天然无污染的原材料,不会对环境造成危害,因此纸巾是一种可选的绿色新型材料。然而相比其他材料,这两种材料具有共同的缺陷:(1)韧性不够,耐磨耗性低,容易损坏;(2)对湿度较敏感,随周围环境湿度的增加,器件输出性能急剧下降且使用寿命大大缩短。因此可生物降解的耐摩擦新型材料将是TENG 技术的研究重点之一。

图7 (a,b) 小麦秸秆的扫描电镜图像[38];(c) 鲜叶表面光学显微照片;(d)叶面扫描电镜图像[39];(e)导电纸制作过程示意图[40]Fig.7 (a,b) Scanning electron microscope images of wheat straw[38];(c) Optical microphotograph of fresh leaf surface;(d) SEM image of leaf surface[39];(e) Schematic diagram of the fabrication process the conductive paper[40]

3.2 材料修饰

为使TENG 输出性能更优越,已进行许多研究[42-44]。通常是对材料进行不同的预处理,如在材料表面刻蚀一些微结构,典型的有交织结构[45]、纳米线结构[46]、金字塔结构[47]等。反应离子刻蚀是比较常见的刻蚀方法。Zhang 等通过自上而下的反应离子蚀刻,在暴露的聚酯表面上形成聚酯聚合物纳米线,从而增加有效接触面积[48]。经过表面纳米结构修饰后的两个条带的TENG,产生高达98 V 的开路电压和16.3 μA的短路电流。电感耦合等离子体刻蚀也可制备聚合物纳米线,张虎林等研制一种用于无线远程气象监测的收集风能的TENG,制作过程中就有利用电感耦合等离子体蚀刻技术[49]。在PTFE 表面蚀刻平均尺寸约为200 nm 的海带状纳米结构,增强了材料摩擦带电性。在材料表面引入纳米颗粒同样可增强摩擦起电效应,厦门大学一研究团队[31]将湿化学方法合成的平均直径约为30 nm 的银纳米颗粒引入到铝层表面以提高材料粗糙度。

以上几种比较常用的材料处理方式都存在固有的缺陷:反应离子刻蚀速度低,选择性比较差;电感耦合等离子体刻蚀维护成本高;引入纳米颗粒加工难度高,制作过程复杂等。因此,寻找低成本、加工速度快、环境友好的材料改性方法对于实现TENG 应用具有重要意义。

4 电源管理

近年来TENG 在结构和材料方面研究都有很大的突破。由于TENG 具有高电压、低电流和高阻抗的输出特性,电源管理的重要性不言而喻[50]。电源管理电路的研究关系到电能是否可以最大效率地供给电子设备,目前有效的电源管理电路(PMC)依然很少。Zhu等首先在径向排列的旋转TENG 中引入变压器,极大地降低输出电压,提高了输出电流,阻抗也大大降低[51]。美国乔治理工Niu 等研制了一种普遍适用于所有类型的脉冲输出TENG 电源管理电路(图8(a)),这种通用电路主要由逻辑控制的开关系统和耦合电感组成[52],电能提取率约为60%。胡永山设计了一种使用耦合电感的阻抗匹配电路,在3.6 s 可以实现5 V 的稳压输出[53]。Xi 等通过最大化能量转移、直流降压转换和自我管理机制,为TENG 提出了一种通用电源管理策略(图8(b))[54]。在1 Hz 的低频下,使用电源管理模块,TENG 的匹配阻抗在80%的效率下从35 MΩ 降低到1 MΩ,为1 mF 电容充电时存储的能量可以提高128 倍。与上述含有电感的管理电路不同,Tang 等专注于无电感的TENG 电源管理电路(图8(c))[55],采用自连接开关电容器阵列,通过在充电操作中电容器串联连接后并联连接用于功率输出,可以降低输出电压和提高输出电流,同时将能量损失降至最低。

图8 (a) 基于逻辑控制开关和耦合电感的通用管理电路[52];(b) 通过耦合TENG、整流和经典DC-DC 降压变换器实现交直流降压转换的电路原理图[54];(c) 一种带自连接开关电容的TENG 管理电路[55]Fig.8 (a) Management circuit based on logic control switch and coupling inductor[52];(b) The schematic circuit diagram of AC-DC buck conversion by using TENG,rectifier and classical DC-DC buck converter[54];(c) The utility model relates to a TENG management circuit with self-connecting switch capacitor[55]

以上电路都有一定的局限性,比如,仅使用变压器,转换效率并不高;使用机械开关,会带来不必要的干扰。但总体充电效率都有所提高,供给电子设备使用时基本采用上述几种电源管理电路,电源管理研究任重而道远。

5 总结与展望

TENG 的诞生为解决能源危机和环境污染提供了一种新途径,为新能源技术和自供电传感器技术的发展带来了新契机。综上所述可知,TENG 在收集风能方面取得重大成果,其应用范围更加广泛,如环境监测、可穿戴电子设备、物联网等。在生活中扮演着越来越重要的角色,有望引领着能源领域新一轮革命。然而,TENG 在风能利用方面存在的问题不可忽视。首先,由于频繁、直接和长期摩擦,容易导致材料严重磨损和器件失效,造成TENG 输出性能下降、使用寿命缩短、安全系数降低;其次,TENG 适用环境有一定的局限性,在极端环境中,如高温、极冷和高辐射地区,TENG 输出性能受到严重影响;另外,TENG的实际转换效率值和理论值相差甚远,实现全球范围内普遍应用这一目标还很遥远,这都是需要攻克的难题。因此,实现持久、稳定和高输出的风能收集TENG,是一条坎坷而漫长的道路。

利用TENG 收集风能是一种环保和有商业化发展前景的发电方式:其一,风能资源极为丰富且分布广泛,目前实际合理开发利用的只是冰山一角,可持续甚至永久性供能;其二,随着科技的创新进步,开发风能技术不断完善和成熟,大规模开发风能将成为可能;其三,TENG 收集风能具有低碳和清洁优点,不会产生温室气体,符合绿色发展理念,所以风能开发利用将会在总能源中占有更大的比例;其四,将TENG 与其他电池、能源技术相结合,开发复合型能源这一技术逐渐成熟;其五,我国海上风能储量有7.5 亿千瓦,海上风力发电具有极大优势,未来TENG在海上的应用会高速发展。此外,随着新材料的不断涌现,TENG 材料选择更加广泛,器件性能将不断得到改善。TENG 在我国新能源发展中占据重要地位,电子产品将迎来风能充电的时代。