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Nano Energy:基于电纺聚偏氟乙烯纳米纤维的新型摩擦纳米发电机用于声能收集

 
发布日期:2018-11-26
 

物联网(IOT)的快速发展促进了各种低功耗电子设备的广泛应用,因此,有效地为这些电子设备供电受到极大的关注。声能作为一种无处不在的可再生能源,广泛分布在世界各个角落,如工厂机器和建筑工地的噪音。声能捕获并不是普遍作为其他类型的能量收集,这主要归因于其相对较低功率密度和缺乏有效的清除技术。在以往的声能采集研究中,大部分研究都集中在压电发电机上,压电发电机存在结构复杂程度高、输出性能低等缺点。此外,许多设备的工作频率通常在几千赫兹到兆赫之间,而日常生活中实用的声源主要由低频元件组成,这使得这些设备效率低下。摩擦纳米发电机作为一种新兴技术,成为解决这些问题的理想途径。由于电气化和静电感应的耦合作用,可以以较低的成本和相对简单的结构实现显著的电输出。

近日,香港中文大学和河南大学研究者构建了基于电纺聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维的摩擦纳米发电机(TENG),以轻薄的PVDF纳米纤维为振动膜,方便低频声波的能量捕获。更重要的是,通过将TENG与聚合物管集成,振动膜采集到的声波可以由未定义的声波转换为平面波,从而提高声压,提高电输出。在170 Hz和115 dB声波下,TENG产生400 V的开路电压和175μA的短路电流,瞬间最大峰值功率密度为7 Wm-2。 收集的声能可以同时点亮55个商用发光二极管(LED)。TENG可以通过比较不同声压和频率下的电信号,利用20 Hz到1000 Hz的宽带声波驱动,进行声频分析和噪声检测。此外,所制备的TENG还可以作为自供电的有源传感器,用于检测声源方向和发声对象的运动速度。该项工作不仅为制造高性能的TENG将环境声能转化为电能提供了一种简单、经济的方法,而且为自供电的传感提供了一种方法,在军事监视、人工智能、物联网和喷气发动机降噪等领域具有潜在的应用前景。相关研究成果以“A Novel Triboelectric Nanogenerator Based on Electrospun Polyvinylidene Fluoride Nanofibers for Effective Acoustic Energy Harvesting and Self-powered Multifunctional Sensing”为题发表于国际著名期刊Nano Energy


图1. 声音驱动的TENG的结构设计和工作原理。(a)TENG与聚合物管结合的示意图。(b)具有夹层结构的TENG的正视图。(c-i)和(c-ii)PVDF纳米纤维和导电织物的SEM图像。(d)由声音驱动的TENG的工作机制。


图2. 115 dB声波下声音驱动的TENG的电输出。基于不同频率的PVDF纳米纤维TENG的VOC(a)Isc(b)。Voc(c)和Isc(d)在170Hz频率下的放大视图。由商用PVDF膜制成TENG的Voc(e)和Isc(f)的对比。

 
 
 

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