电磁-摩擦电混合发电机在风能收集中的机电转换性能优化与应用研究

《iScience》：Mechanical-electrical conversion performance of electromagnetic-triboelectric hybrid generator for wind energy harvesting

本研究针对传统传感器在偏远海域供电困难的问题，开发了一种电磁-摩擦电混合风能收集装置（H-TEWH）。通过优化兔毛宽度（45 mm）和安装间隙（7 mm），该装置在11 m/s风速下实现理论峰值输出12.08 mW，并采用基于气体放电管的Buck电路与LTC3588模块的电源管理方案，成功为温湿度传感器供电，为海洋环境监测提供了可靠的自供能解决方案。

　　

随着传感器网络在海洋监测等领域的广泛应用，传统电池供电方式在偏远海域面临更换困难、寿命有限等挑战。风能作为一种清洁可再生能源，为微传感器供电提供了潜在解决方案，但传统风力发电机存在体积庞大、成本高且在低风速下效率低下的问题。摩擦纳米发电机（TENG）作为一种新兴的机械能收集技术，凭借其低成本、小尺寸和低风速适应性等优势，为风能收集提供了新思路。然而，现有TENG基风能收集系统仍存在输出功率有限、能量捕获带宽窄以及缺乏高效电源管理集成电路等问题。

为解决上述挑战，发表于《iScience》的研究提出了一种混合摩擦电-电磁风能收集器（H-TEWH）。该装置通过电磁发电机（EMG）和摩擦纳米发电机（TENG）的协同工作，实现了宽风速范围内的高效能量捕获。研究人员采用3D打印技术制备了装置主体结构，包括底座、转子、线圈模具和外壳等组件。通过有限元仿真（COMSOL Multiphysics 6.3）优化了EMG的磁路设计和TENG的电势分布，并系统研究了兔毛宽度和安装间隙对输出性能的影响。实验测量采用高精度电学测量系统（Keithley 6514静电计）和动态特性分析（Fluke 820-2频闪仪），验证了装置在4-11 m/s风速范围内的输出特性。

结构设计和工作原理

H-TEWH采用模块化设计，EMG部分基于电磁感应原理，通过转子带动钕铁硼（N52）永磁体旋转切割线圈产生电流；TENG部分采用聚四氟乙烯（PTFE）-兔毛摩擦副，通过软接触滑动模式产生电荷转移。仿真分析显示了磁通量分布和感应电动势的周期性变化规律，验证了设计的合理性。

输出特性理论分析

研究建立了TENG的简化物理模型，推导出开路电压与摩擦层重叠长度的数学关系（V_oc(t) = (σh/ε₀)(x₁(t)-x₂(t))），揭示了离心效应导致兔毛纤维扩展进而提升接触面积的作用机制。

输出特性实验分析

EMG在11 m/s风速下达到峰值功率2.12 mW（匹配负载310 Ω），而TENG在优化参数（兔毛宽度45 mm，安装间隙7 mm）下实现252.81 V开路电压和0.53 mW峰值功率。频率分析表明TENG输出信号频率与风速呈线性关系（2.4-23.4 Hz），具备风速传感潜力。

混合输出性能

并联模式展现出最佳协同效应，60秒内使220 μF电容储能提升258.9%。集成电源管理电路（含气体放电管Buck电路和LTC3588芯片）后，电容充电电压提升至6.67 V，储能增强14.4倍。在波动风速环境下，装置成功为温湿度传感器提供稳定电力，放电时间（29.2秒）超过充电时间（21.5秒）。

本研究通过创新性的混合能量收集架构和系统优化，实现了风能的高效捕获与稳定输出。H-TEWH装置不仅解决了传统风能收集装置在低风速性能和环境适应性方面的局限，还为海洋环境监测等特殊应用场景提供了可靠的自供能技术方案。其模块化设计和可扩展性为后续性能提升奠定了基础，特别是在磁路优化和防腐涂层开发方面的改进潜力，将进一步推动该技术在实地应用中的成熟度。