【EES】布朗分子马达启发的单向持续旋转TENG从不规则微幅水波中提取能量

以下文章来源于纳米发电机 ，作者许亮课题组

研究背景

在全球变暖和相关气候问题日益凸显的背景下，推动实现碳中和已经成为各国的共识，大力发展清洁能源是实现碳中和的重要途径之一。海洋能也称蓝色能源，在全球范围内储量巨大，是最有前景的清洁能源之一，其中典型的形式是波浪能。各国广泛研究了基于电磁发电机的波浪能设备，以期实现波浪能发电，然而，这些设备往往结构庞大，需要“确定性”的驱动力（deterministic driving force），对于在我国分布广泛且不规则的微幅水波来说其能量收集效率很低。而摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerator, TENG）的出现为蓝色能源的有效收集开辟了新的技术路线。TENG具有简单的单元结构，更适应低频激励，大量单元构成的柔性分布式网络可实现大规模的波浪能收集。然而，现有的TENG结构的设计思路仍主要是基于“确定性”的驱动力，对于随机低频波浪激励的响应往往是间歇性的脉冲而且输出较低。因此，提高对于不规则波浪的适应性，在混乱的环境中实现高效的能量提取仍是该领域面临的重大挑战。

文章概述

在微观层面上，生物布朗分子马达可以从混沌但非热力学平衡的环境中提取能量，实现有效的定向运动，表现出对于混乱的作用力（chaotic force）的内禀适应性（intrinsic adaptability），且常具有很高的效率。这一现象的实现与势能分布（potential landscape）中的非对称性有关。由于布朗分子马达的工作环境特性与很多能量收集器件的工作环境具有相似性，其原理对于设计能更好适应混乱环境作用的能量收集器件和系统具有重要的启示。近日，中科院北京纳米能源与系统研究所王中林/许亮课题组在微观分子系统的启发下，设计了一种可从随机混乱环境中有效提取机械能的摩擦纳米发电机器件。该器件设计中引入了双重对称性破缺（dual symmetry breakings），具体包括手性网络（chiral network）结构和具有棘轮效应的单向轴承结构，通过对称性破缺结构将微幅不规则波浪激励转换为外壳的往复摆动，并进一步转化为内部转子的单向转动。同时，引入了惯性轮实现能量缓存（energy caching），可以从低频的瞬时激励中累积机械能，实现多次激励能量的有效叠加，形成持续的单向转动，并逐渐转化为电能。与其它储能结构相比，单向旋转的惯性轮结构可以有效从水波中提取能量，且对于随机的激励，不存在相位导致的负功的情况。因此，器件呈现出持续转动的状态，且转动不断被新的激励所增强，提高了器件的整体性能及对不规则波浪的适应性，对于微幅波浪的作用也能实现很好的累积。该工作还展示了器件在实际水波驱动下的工作性能及构建的持续工作的自驱动系统。基于此单向持续旋转摩擦纳米发电机，可以有效从不规则微幅水波中提取能量，体现了在混乱环境中对随机激励的内禀适应性。论文中提出了一系列相关的概念，包括手性网络、对称性破缺结构、能量缓存、运动“整流”（motion rectification）等，为设计能更好适应随机混乱驱动力并从中高效提取能量的能量收集器件提供了基础。同时，由于类型丰富的分子系统对于热力学混乱环境的内禀适应性，从其中学习关于不同尺度下能量收集器件的设计原理可能成为一种新的设计范式。该成果以“Brownian motor inspired monodirectional continuous spinning triboelectric nanogenerators for extracting energy from irregular gentle water waves”为题发表在《Energy&Environmenta Science》上。论文共同第一作者为纳米能源所与广西大学联合培养博士生邱荟静、纳米能源所博士生王华妹，通讯作者为许亮研究员和王中林院士。本研究受国家重点研发计划，国家自然科学基金项目，中国科学院青年创新促进会等项目资助。

原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ee/d2ee03395j）

图文导读

图1 单向持续旋转摩擦纳米发电机（CS-TENG）的基本概念。（a）概念图。（b）单向旋转累积能量示意图。（c）CS-TENG链结构示意图。（d）用于蓝色能源收集的CS-TENG大规模网络示意图。（e）CS-TENG在水波激励中的照片。比尺：10 cm。（f）激励停止后的长时间持续转动。

图2 CS-TENG的结构和工作原理。（a）单向轴承和惯性轮的详细结构示意图。（b）单向轴承和惯性轮的工作过程。（c）CS-TENG的器件爆炸视图。（d）CS-TENG的组装结构示意图。（e）转子和定子盘片示意图。（f）CS-TENG子单元的工作原理。

图3 CS-TENG子单元的电学输出特性。（a）转子由电机直接驱动的激励模式示意图。（b）电机转速50 rpm下的转移电荷量。（c）不同电机转速下的短路电流。（d）通过单向轴承驱动转子的激励模式示意图。（e）CS-TENG子单元在单次顺时针或逆时针激励下的典型电流响应。（f，g）单一激励下的转动持续时间（f）和累积电荷量（g）。（h）不同垫片厚度下的转移电荷量和开路电压。（i）在1 Hz的连续激励下，子单元的短路电流。（j）在0.17 Hz的低激励频率下，子单元的连续电荷量输出。（k）不同激励次数下，电流和持续旋转时间。（l）连续激励的典型电荷量输出。

图4 集成CS-TENG器件的电学性能。（a）CS-TENG器件的照片。比尺：5 cm。（b）CS-TENG的整流电路图。（c）集成器件1个子单元的转移电荷。（d）集成器件2个子单元的转移电荷。（e）单次激励后整流电流和电荷量输出。（f）连续激励下的电流输出。（g）集成器件在微幅激励下的电流输出。（h）集成器件对电容的充电性能。（i）不同负载下，集成器件的峰值功率和平均功率。

图5 CS-TENG在水中的性能。（a）波浪激励下手性连接网络的工作原理。（b，c）水波激励下的子单元转移电荷（b）和开路电压（c）。（d）波浪激励下器件工作过程的照片（镜像）。（e）CS-TENG子单元在波浪激励下的电流输出响应。

图6 CS-TENG的应用演示。（a）CS-TENG的应用前景示意图。（b）CS-TENG在不同负载下的峰值功率和平均功率。（c）不同负载下，CS-TENG的峰值电流和负载电压。（d）水波激励下CS-TENG给电容充电的充电性能。（e）水波激励下，CS-TENG持续点亮348个发光二极管（LED）。（f-i）CS-TENG为温度计（f，g）和风速计（h，i）供电的照片及相应的电压曲线。插图：电路图。波浪频率为0.67 Hz。

总结

本工作中，受布朗分子马达的启发，基于双重对称性破缺和惯性能量缓存的新策略，实现了单向持续旋转TENG及其网络，可以从不规则微幅水波中有效提取能量。非镜像对称的手性网络结构和单向轴承的棘轮效应形成的双重对称性破缺使CS-TENG能够将不规则波浪激励转换为内部单向旋转，而惯性轮的能量缓存可以存储和积累离散的激励机械能，实现转子的长时间持续旋转并被离散的随机激励不断增强，而不存在相位问题。这些新的结构和策略赋予了TENG更好处理随机激励作用的能力，实现了对于混乱激励的内禀适应性，有望大幅提升器件和网络对不规则微幅水波能量的收集性能。同时，TENG的尺寸灵活性使其能够适应不同尺度的波浪作用，展示了TENG用于蓝色能源收集的优越性。本工作同时也提供了一种一般性的新的范式，从内禀适应混乱热力学环境的分子系统中学习设计更加高效的能量收集器件。通过不同形式的对称性破缺结构，有望实现从纳米尺度到宏观尺度的高效能量收集。

转自：“i学术i科研”微信公众号

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