为物联网（IoT）设备等小型电子设备供电的可持续能源的需求，促使人们持续探索创新解决方案，例如使用压电纳米发电机（PENG）进行声能收集。声能收集利用环境噪声，通过某些材料的压电效应将其转换为电能。
据麦姆斯咨询报道，近日，阿联酋哈里发大学（Khalifa University）的研究团队在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了题为“Advancement in piezoelectric nanogenerators for acoustic energy harvesting”的综述论文，全面分析了压电纳米发电机技术的研究进展，强调了它们在声能收集中的作用。该综述首先讨论了压电效应的基本原理和纳米发电机的设计考虑因素，以优化从声波中的能量捕获。讨论包括对各种压电材料的详细研究，例如聚偏氟乙烯（PVDF）、锆钛酸铅（PZT）和氧化锌（ZnO）纳米线，它们以其卓越的压电性能而闻名。
该综述的一个重要方面是探索提高压电纳米发电机效率的创新结构设计和谐振器。团队深入研究了使用亥姆霍兹谐振器（HR）、四分之一波长管和悬臂梁等的机制和优势，这些器件有助于放大声学信号并提高能量转换率。接着，该综述讨论了压电纳米发电机在各个领域的实际应用。环境监测系统、可穿戴电子设备和医疗设备将从压电纳米发电机提供的持续、绿色电力中受益。这些应用可以通过利用环境声能来减少对电池的依赖并最大限度地减少维护需求，从而实现更高效和更持久的运行。
最后，该综述详细讨论了压电纳米发电机面临的挑战，包括材料降解、效率限制以及将这些器件集成到现有技术架构中的问题，并提出了提高压电纳米发电机系统寿命和性能的潜在解决方案。
图1提供了压电纳米发电机的声能收集过程，并说明了该领域采用的不同元件和方法。
图1 使用压电纳米发电机（PENG）收集声能的关键元件示意图
声学压电纳米发电机作为一种将声能转换为可用电能的可行方法，在能量收集领域引起了人们的关注。压电纳米发电机以其非凡的灵敏度而著称，这使它们能够检测到即使是最轻微的机械振动，包括标准能量收集方法难以利用的低频噪声。压电纳米发电机的另外一个特点是其纳米级尺寸，使其可以顺利集成到微型设备中，而不会增加体积或重量。研究人员正在积极探索声学压电纳米发电机技术的各个方面，以充分释放其潜力。开发和利用具有增强压电性能的先进材料一直是研究焦点。值得注意的例子包括PVDF、PZT和ZnO纳米线。这些材料有望显著提高压电纳米发电机的效率并扩展其功能。
图2 基于PVDF的声学压电纳米发电机的设计和性能
压电纳米发电机的基本构造包含两个主要组件：压电材料和金属电极。该器件的核心部分，即压电材料，在通过机械应力或变形产生电荷方面起着至关重要的作用。为了便于收集和传输产生的电荷，金属电极位于压电层的上下表面。压电纳米发电机通常配有外壳，以保护敏感组件并提高其运行效率。为了提供结构强度并保护内部组件免受灰尘、湿气和物理损伤等各种外部因素的影响，外壳通常由坚固轻质的材料制成。该综述介绍了具有创新的结构设计方面的研究，为压电能量收集提供了新的见解和潜在进展。
图3 在声学压电纳米发电机中实现高效能量收集的创新结构
基于四分之一波长的压电纳米发电机是一种具有独特设计的器件，它利用谐振现象来优化能量转换效率。该器件采用四分之一波长谐振器的原理，能够在特定频率下有效地提取机械能。基于四分之一波长的压电纳米发电机的基本配置包括一层位于两个固定的终端或反射屏障之间的压电材料。当器件受到具有适当频率的机械振动或波的作用时，这些扰动会沿着压电层传播，导致材料内部产生机械应变增加和减少的区域。基于四分之一波长的压电纳米发电机的主要优点在于它能够达到显著的能量转换效率。这是通过将压电纳米发电机的谐振频率与外部机械振动的频率保持一致来实现的。谐振现象有助于增强机械应变，从而提高电输出，使其成为从目标振动源收集能量的非常合适的选择。
图4 利用压电纳米发电机中的四分之一波长管谐振器优化声能收集
亥姆霍兹谐振器是一种用于选择性衰减或放大某些声音频率的器件。该器件包括一个带有狭孔的容器，狭孔与一个较大的腔室相连，该腔室设计用于容纳少量空气。谐振器的性能取决于多个因素，包括腔室的体积和大小、狭孔的形状以及封闭空气的质量。当频率接近亥姆霍兹谐振器谐振频率的声波进入该器件时，封闭的空气会以不同的方式发生振荡，从而放大输入信号。亥姆霍兹谐振器和质量-弹簧-阻尼系统是不同领域（分别是声学和力学）中基本谐波振荡器的典型示例。通过将声学纳米发电机与亥姆霍兹谐振器集成，可以成功收集和转换声能，从而提高能量收集效率。谐振器对特定频率范围的适应性使其能够有效地用作收集和放大声能的响应器件。通过调整谐振器的设计以与周围环境声音的频率保持一致，它能够有效地检测、放大和转换甚至微弱的声能。这一特性使其非常适合在噪声容限有限的环境中为低功率设备供电。通过集成多个调谐至各种频率的谐振器可以实现系统的优化，从而实现宽带能量收集。
图5 利用亥姆霍兹谐振器增强输入信号，以利用压电纳米发电机进行声能收集
声学压电纳米发电机（A-PENG）具有将声能转换为电能的卓越能力，在各个领域具有广泛的应用，包括环境监测系统、可穿戴电子设备和医疗设备等。
图6 声学压电纳米发电机的各种应用
综上所述，这篇综述深入探讨了压电纳米发电机在声能收集方面的最新研究进展，强调了这些器件在将环境声音转换为电能方面的巨大潜力。本文探讨了压电纳米发电机技术中使用的各种结构设计和材料，突出了它们通过压电效应将机械能有效转换为电能的潜力。文中深入研究了各种结构配置，例如悬臂梁、亥姆霍兹谐振器和四分之一波长谐振器，每种结构配置在优化能量转换方面都具有独特的优势。文中还讨论了材料选择（包括天然和合成压电材料）在提高器件性能方面的关键作用。
该综述还探讨了压电纳米发电机在可穿戴技术、城市基础设施和医疗保健设备中的集成，展望了自供电系统的未来。文中探讨了压电纳米发电机面临的能源转换效率、长期耐用性和经济可行性等挑战，指出混合型压电纳米发电机有望成为一种提高效率的有前途的解决方案。总之，该综述强调了压电纳米发电机在推进可再生能源解决方案方面的关键作用，并为未来声能收集的研究和开发奠定了基础。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00811-4
