摩擦纳米发电机(TENGs)具有重量轻、成本低的优点，其被认为是目前最有效的能量采集技术之一。它可以高效地采集分布式的微小能量为物联网(IOT)和智能交通系统中的大规模信号和传感器网络供电。此外，基于摩擦起电和静电感应原理的TENGs组成的自供电系统已被广泛应用于不同的研究领域，如蓝色能源收集、高压电源和智能交通系统。传统的旋转滑动模式摩擦纳米发电机(RS-TENG)在收集风能和汽车车轮转动能量方面得到了广泛的研究。然而，为了保证RS-TENG的有效接触而需要较高压力会引起许多缺点，如摩擦阻力和驱动力增加以及容易造成磨损等问题。整体能耗和寿命缩短严重阻碍了RS-TENG的广泛应用。因此，为了克服这些问题，通过降低摩擦阻力来降低总体能耗和增加车辆更多智能功能将是两个重要的研究方向。

        近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究团队设计了一种具有摩擦力小和输出性能高的双层的弹性旋转摩擦纳米发电机（ER-TENGs），其可以按照固定间隙安装于铁路轨道的两侧，在高速铁路车辆通过时收集其产生的风能来为该铁路段的信号和传感设备供电。在合理选择摩擦系数较小的电介质材料的基础上，ER-TENGs的摩擦力大大减小。此外，得益于弹性接触模式的优秀结构设计，在相同的输出下，ER-TENGs的驱动扭矩只有传统RS-TENG的一半。因此ER-TENG的能量收集效率是RS-TENG的两倍。更重要的是，由于摩擦的显著减少，磨损随之减少了。在经过250000次高转速(200 rpm)测试之后，ER-TENG仍能保持80%的输出性能。最后，基于良好的输出性能，双层ER-TENG可以在模拟风的驱动下驱动商业交通灯和传感设备，进而展示了ER-TENG在智能高速列车系统中广泛的应用前景。因此，ER-TENG被认为是一种有效的风能收集装置，其可以通过收集高速列车产生的废弃风能来实现为智能高速列车系统的大规模信号和传感器网络供电的目标。相关进展以一“Harvesting Wind Energy by a Triboelectric Nanogenerator for an Intelligent High-Speed Train System”为题发表在ACS Energy Letter上。该工作为建造更加节能环保的新型智能高铁系统提供了新的思路。（原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c00368）

图1、ER-TENG结构设计和相应的工作原理

(a)双层ER-TENG以间隔形式安装于铁路轨道两侧的示意图。(b) ER-TENG详细的结构设计图。(c) BM-TENG几何结构设计图。(d)ER-TENG单元的工作原理图。

图2、三种不同介电材料制作的TENG输出性能图

三种TENG相应的输出性能：(a)转移电荷。(b)短路电流和(c)开路电压的对比图。(d)三种TENG在不同压力下的摩擦力的对比图。(e)在单位拉力下三种TENG最大转移载荷的对比图。(f)三种TENG经过50000次测试循环后输出性能保留率的对比图，经过50000次测试循环后相应材料表面SEM图像。(g) PVC薄膜表面。(h) FEP薄膜表面。(i) PTFE薄膜表面。

图3、ER-TENG和RS-TENG的性能对比

ER-TENG在不同压力下的输出性能：(a)转移电荷。(b)短路电流和(c)开路电压。(d)转移电荷，(e)短路电流和(f) 开路电压。(g)不同压力下ER-TENG和RS-TENG的扭矩变化。(h)在单位扭矩下ER-TENG和RS-TENG的最大转移电荷量的对比图。(i) ER-TENG和RS-TENG长期耐久性的对比图。

图4、不同测试条件下双层ER-TENG的输出性能

不同电机转速下双层ER-TENG的输出性能：(a)转移电荷量，(b)短路电流，(c)开路电压。（d-f）双层ER-TENG、ER-TENG1和ER-TENG2在不同转速下的平均功率阻抗曲线。(g-i)双层的ER-TENG在不同转速下的充电曲线。

图5、ER-TENG在模拟风场种的输出性能及应用

双层ER-TENG在模拟风场中的输出性能：(a)转移电荷量。(b)短路电流。(c)开路电压。(d)双层ER-TENG的峰值功率和平均功率阻抗曲线。(e)双层ER-TENG作为电源驱动红绿灯的照片。(f)ER-TENG相应的充电曲线。(g)ER-TENG同时驱动电容器和温湿度记录仪的充电曲线。内部的插图为温湿度计正在工作的照片。(h)双层二腾作为电源驱动温湿度记录仪的照片。(i)ER-TENGs及其在未来智能高铁系统中的应用展望。

文章转载自 微信公众号 摩擦纳米发电机TENG