多自由度能量采集与监测耦合的摩擦电纳米发电机，用于输电塔振动状态的感知

《Nano Energy》：Multi-Degree-of-Freedom Energy-Harvesting and Monitoring-Coupled Triboelectric Nanogenerator for Vibration State Perception of Transmission Towers

多自由度能量收集-监测耦合TENG通过球笼万向节结构实现多维振动轴向转换，提升至260V开路电压和3.88W/m3功率密度，验证其在复杂风场下自供电监测输电塔振动状态的可行性。

　　

刘世明|郭景义|朱兆斌|孟丽霞|李翔

沈阳建筑大学机械工程学院，中国辽宁省沈阳市110168

摘要

风引起的振动威胁着输电塔的可靠性，而依赖有线电源或电池的传统监测系统则面临复杂的布线和维护挑战。本文提出了一种多自由度能量收集-监测耦合的摩擦电纳米发电机（TENG），该发电机在输电塔振动过程中集成了能量收集和角度感知功能。该设备采用球笼万向节结构将任意方向的振动转换为往复滑块运动。通过将多个发电单元以多层串联配置耦合在一起，整个设备的能量捕获能力得到提升，开路电压达到260伏（比单个单元高6.8倍），体积功率密度达到3.88瓦/立方米，超过了传统振动驱动的TENG。此外，通过电容充电实验以及温度和湿度传感器驱动实验验证了该设备的实际应用能力。而且，无论摆动角度或频率如何变化，输出性能都保持稳定。监测信号显示出每3°摆动幅度对应一个波形低谷的模式，从而实现了离散角度的识别和监测。耐久性测试进一步验证了其输出的稳定性。这项研究为无需外部电源的输电塔振动监测提供了一种新方法，展示了摩擦电纳米发电机在电力基础设施中实现能量-信息协同转换的应用潜力。

引言

作为电力传输系统的关键节点，输电塔的结构安全直接关系到电网的稳定运行[1]，[2]。然而，随着电压等级和塔高的增加，输电塔更容易受到风荷载下的微风振动和涡流振动的影响，长期累积可能导致结构疲劳和连接故障[3]，[4]，[5]。

输电塔持续受到风诱导的动态激励。在正常运行条件下，现场测量和数值分析表明，塔体振动通常具有约0.1–1.0赫兹的低频特性[1]，[2]。然而，在极端环境条件下，如强风、导线舞动或冰层脱落事件中，振动幅度可能会显著放大[3]，[4]。因此，进行长期实时振动状态监测非常重要[5]，[6]，[7]。目前，监测主要依赖于电缆或电池供电的设备，如加速度传感器和倾斜仪[8]，[9]。然而，输电塔通常位于恶劣的户外环境中，布线困难，电源有限，电池寿命短，高空更换成本和高风险，这严重限制了大规模和长期部署的可行性[10]，[11]，[12]。这种限制迫切需要一种免维护、自供电且适应复杂环境的传感技术，能够在没有外部能源供应的情况下完成多角度和多方向的振动感知，真正实现输电塔状态的全面智能监测。

2012年，王的研究团队基于接触带电和静电感应原理发明了摩擦电纳米发电机（TENG）[15]，[16]。TENG能够高效收集低频机械能[17]，[18]，[19]，并将其转换为电能[20]，[21]，[22]。由于其灵活的结构[23]，[24]，多样的材料[25]，[26]，简单的加工工艺[27]，[28]以及对低频干扰的高敏感性[29]，[30]，它被广泛应用于能量收集[31]，[32]，[33]和自供电监测[34]，[35]领域。近年来，大量研究表明TENG在交通工程[36]，[37]，[38]，桥梁健康监测[39]，[40]，[41]，钻井作业监测[42]，[43]以及输电线路状态感知[44]，[45]方面具有显著优势。

2023年，张等人成功设计了一种摩擦电纳米发电机（MV-TENG），能够高效收集输电线路微风振动和子跨度振荡的能量[46]。他们使用快速板电极实现了水平和垂直振动能量的有效收集，为多方向振动能量收集提供了新思路。2024年，湖南大学的胡等人创新性地提出了一种摩擦电-静电混合能量收集器（TEHEH），用于输电线路环境中风能和电场能量的协同收集[47]。该设备实现了两种环境能量的高效同步获取，其混合输出功率远高于单一能量收集方法，为提高输电线路的振动效率提供了新方法。2024年，大连海事大学的郝等人提出了一种基于频率感知摩擦电纳米发电机（F-TENG）和微型热电发电机（MTEG）的协同感知和能量供应系统，用于输电线路舞动频率监测和自供电感知[48]。该研究实现了频率数据的自供电计算和无线传输，为解决输电线路的状态监测提供了高精度和自持续性的新方案。

这些工作为输电线路监测提供了有效的技术手段，但大多数研究都集中在输电线路本身。需要指出的是，输电线路和输电塔在风诱导振动行为和监测要求上存在根本差异。输电线路主要经历局部振荡，通常通过应变或频率感知进行监测，而输电塔则经历低频、小幅度、多方向的整体摆动运动，需要监测整体位移和倾斜度，而不仅仅是局部应变。因此，关于输电塔风诱导振动效应的研究仍然有限。特别是在多自由度振动场景中，现有设备往往对运动方向敏感，或者在能量收集和感知功能之间存在信号干扰和性能折中，这难以考虑。因此，有必要开发一种能够在复杂运动方向上收集和监测能量的摩擦电技术，以弥补当前输电塔振动监测的局限性。

为了实现全方位收集振动能量的功能，本文提出了一种多自由度能量收集-监测耦合的摩擦电纳米发电机，用于输电塔风诱导振动的能量-信息集成转换。该设备利用球笼万向节结构将俯仰、偏航和滚转等多方向振动转换为轴向往复位移。通过多层结构耦合多个发电单元，有效提升了能量输出性能，并将最小的发电单元设置为监测单元，实现了能量收集和感知功能的分离。实验结果表明，开路电压（Voc）达到260伏，是单个电极工作状态的6.8倍，设备的体积功率密度达到3.88瓦/立方米。与传统振动驱动的TENG相比，该设备表现出更好的输出性能，验证了所提出的结构设计的有效性。它可以给电容器充电并驱动低功耗传感器，证明了其实际的能量供应能力。

此外，无论摆动角度和频率如何变化，都不会对设备的输出性能产生显著影响，确保了其在复杂环境中的工作能力。同时，监测信号显示出每3°摆动对应一个波形低谷的规律，建立了摆动与电信号特性之间的定量映射关系，实现了振动角度的离散识别，并能在不同风条件下保持稳定的输出。总之，这项研究不仅提出了一种适用于输电塔复杂工作条件的免维护监测方案，还展示了摩擦电纳米发电机在电力基础设施中实现能量收集和状态感知协同转换的独特优势，为输电线路的长期安全运行和大型结构的自供电健康监测提供了新思路。

章节摘录

基于球笼万向节和多层滑块架构的滑动式摩擦电纳米发电机

为了高效利用输电塔顶部风摆产生的振动能量，本文设计了一种安装在输电塔顶部的装置，该装置可以利用输电塔的摆动将机械能转换为电能。该装置采用球笼恒速万向节结构，可以实现多方向角度运动。

结论

本文提出并验证了一种多自由度能量收集-监测耦合的摩擦电纳米发电机，解决了输电塔振动监测中长期依赖外部电源、维护困难和高部署成本的问题。该装置通过球笼万向节结构实现了俯仰、偏航和滚转等多方向振动的有效转换，突破了现有技术的限制。

方法

该装置由外壳组、摆动力传递装置、铜电极板、八组滑块组件以及具有集成感知和监测功能的TENG单元组成。原型机的总高度约为620毫米，装置上部的高度为300毫米。多层套筒为八角棱柱结构，两侧相对宽度为220毫米。装置的总体积为4641936立方毫米。装置的外壳由...

CRediT作者贡献声明

孟丽霞：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供。李翔：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念构思。朱兆斌：撰写 – 原稿撰写，调查研究。刘世明：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供。郭景义：撰写 – 原稿撰写，验证研究，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了辽宁省教育厅2023年基础研究项目（项目编号JYTMS20231585）和中国博士后科学基金会（证书编号2025M781041）的支持。

刘世明教授是中国沈阳建筑大学机械工程学院的教授。他于2013年在哈尔滨工业大学获得机械设计与理论博士学位。他的研究兴趣包括机械系统动力学、机械结构稳定性以及摩擦电纳米发电机。