杨亚研究员团队研发新型摩擦纳米发电机用于风能收集，突破传统风力发电旋转结构的限制\u3000|NatRevElectrEng.

来自世界各地不同学科的研究人员不断致力于开发从可持续能源中收集能源的新技术。在各种替代能源中，风能是最丰富的资源之一。传统上，风能是通过各种类型的风力涡轮机收集来产生电能的，包括陆上或海上风力涡轮机、水平或垂直轴风力涡轮机和微型风力涡轮机；或者，在帆船上使用风泵或风车，并通过一些体育活动（如风筝板、风帆冲浪和风筝冲浪）进行收集。在这种情况下，使用摩擦纳米发电机（TENGs）收集风能具有独特的特性，能够挑战现有的风能收集技术。事实上，风力驱动的摩擦纳米发电机具有结构简单、体积小、重量轻、易于安装、灵活、运行成本低等特点。

本文从与传统风力发电机的详细比较开始，介绍风力驱动的TENG的技术进步，概述了器件结构、材料、制造工艺以及成本和应用方面的特征，同时，提出了商业产品开发和产业化需要解决的问题和挑战。

从运输及构建成本考虑，传统的风力涡轮机通常具有质量大、起重复杂度高的大型部件（例如，叶片和可能距离地面数百米的塔架），不仅成本高且在安装期间以及更换或搬迁期间需要大型建筑工地和重型机械的支撑。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所杨亚研究员团队研究了各种新型的风力驱动的摩擦纳米发电机（W-TENG），尺寸通常很小，最小的仅有几厘米，由于其重量轻、灵活性高，W-TENG可以低复杂性和低成本的安装在现有系统上也可独立安装。

从使用范围考虑，传统风力涡轮机的风速范围通常为5-35 m/s，而W-TENG既可以收集更低风速的风，也可以收集更高风速的风，风速范围可拓宽为0.2-82 m/s。从应用方面考虑，W-TENG不需要开放或平坦的空间来操作，因此可以部署在人口密集的地区，作为小型电子设备、环境监测和传感器网络的便携式电源，而且，相较于传统的风力涡轮机在运行过程中会产生噪音、叶片的旋转会导致鸟类死亡、影响生态系统和环境等现象，W-TENG没有安全问题。总体而言，与传统风力涡轮机相比，W-TENG在尺寸、成本、灵活性、应用和安全性方面更可取。

图1：传统风力涡轮机和风力驱动的摩擦电纳米发电机的结构示意图。a，风力涡轮机能量收集系统及其基本结构和功能组件的示意图。b，风力驱动的摩擦纳米发电机（W-TENG）结构示意图。

图2：传统风力涡轮机与风力驱动的摩擦纳米发电机的比较

与其他技术相比，W-TENG仅需要少量的电极、材料，制造单个W-TENG设备的材料成本总额约为1.6美元。平准化电力成本（LCOE）用于描述能量收集器生命周期内每个能源单位的平均净生产成本。假使W-TENG的使用寿命为5个月，其LCOE仅为10美元，与传统风力涡轮机相比LCOE值大大降低，W-TENG在大规模生产能源方面的潜力显而易见。

图3：风力驱动的摩擦电纳米发电机与传统风力涡轮机的成本比较分析

W-TENGs有四种架构：

• 基于接触分离模式的双端固定W-TENG;

• 基于接触分离模式的单端固定W-TENG;

• 旗帜型W-TENG;

• 转盘式W-TENG。

前三种结构主要应用于不同速度的定向风：在初始状态下，电极（铝箔）和介电膜（FEP）处于平衡状态，正电荷和负电荷数量相等。介电层在风流的作用下上下移动时，正电荷通过接触带电感应到接触电极中，从而产生电势差异，形成交流电。第四种结构结构由两个底部电极、圆形介电层夹层和一个圆形顶部电极组成，用于全向风力收集：在初始状态下，两个底部电极具有相同数量的正电荷和负电荷，同时，顶部电极和介电层具有相同数量的正电荷和负电荷，当顶部电极在风力作用下旋转时，正电荷随着顶部电极在左右底部电极之间移动。

图4：不同类型风力驱动的摩擦电纳米发电机工作原理图。a，单端固定型结构。b，双端固定型结构。c，旗帜型结构。d，转盘型结构。

评估W-TENG器件性能并因此定义其对特定应用的适用性的指标是输出电压（器件为负载提供的电压）、输出电流（器件为负载的电流）和输出功率密度（器件的输出功率除以其体积）。这些参数的值很大程度上取决于风速、采用的材料和功率增强技术等因素。自首次推出以来，W-TENG在设计、器件输出、器件稳定性和应用范围方面都取得了进步。

十多年来，单个W-TENG的输出功率从0.16 mW 增加到 10 mW，现在可以为多达3,000个LED供电。W-TENG在供电系统和自供电传感器两种主要的应用方面也在不断发展，涵盖面从小型传感器到物联网设备，包括无线数据传输等。

图5：风力摩擦纳米发电机的性能。a，不同材料制备的风力驱动摩擦纳米发电机的输出电压和输出电流。输出电流(b)、输出电压(c)和输出功率(d)随时间变化的性能改进。

杨亚研究员团队从收集风能的角度出发，对传统风力发电机与风能摩擦纳米发电机进行了全方位的对比，而后对风能摩擦纳米发电机的结构与原理、发展过程、输出性能以及应用进行了系统的综述，研究表明，W-TENG有潜力成为收集风能的一项家喻户晓的重大技术，通过W-TENG收集能量有可能成为一种广泛应用的可持续能源。解决材料选择、器件寿命、大规模应用等问题后，可以将它的价值真正实现。

研究团队 | 作者

酥鱼 | 编辑