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环境中的可再生动力,如太阳能、风能、雨滴能等近年来备受重视,有望缓解全球动力缺少和环境污染问题。其间,雨滴具有散布广、能量密度高级长处,已被证明是完成可继续动力供应的有用解决方案之一。近年来,冲突纳米发电机(TENG)被认为是雨滴能量搜集的有用战略,能够完成全天候的能量搜集和可继续的动力供应。但是,因为自然界降雨在数量、频率、密度和方位等方面的不规则性,现在规划出高效率的雨滴TENG(R-TENG)阵列仍面对巨大应战
中国科学院北京纳米动力与体系研讨所王中林院士、蒋涛研讨员等人报导了一种高通明、大面积、高效率的R-TENG阵列,能够有用地搜集不规则雨滴能量。研讨标明,该R-TENG在雨中拥有比太阳能电池(37.03 mW m-2)更高的均匀功率密度(40.80 mW m-2)。此外,作者还展现了一个自供电的无线光强监测体系,用于实时和全天的气候监测。这项作业为规划与太阳能电池板集成的高效TENG阵列以搜集不规则雨滴能量和太阳能供给了有利辅导。该研讨以题为“Integrated Solar Panel with Triboelectric Nanogenerator Array for Synergistic Harvesting of Raindrop and Solar Energy”的论文宣布在《Advanced Materials》上。
R-TENG阵列由多个R-TENG组成,具有合理的电极结构和阵列规划,避免了来自不同TENG的电荷抵消效果,然后降低了器材制作的复杂性。单个R-TENG的结构使在介电层外表包括一个顶部ITO电极,并在其反面堆积另一个ITO电极。作者挑选了具有强电负性的氟化乙烯丙烯(FEP)薄膜作为带电层,一起具有疏水性。R-TENG的作业机理包括四种状况:液滴触摸顶部电极前,外部电路中没有电荷转移;当分散液滴与ITO顶部电极触摸时,电子从顶部电极敏捷流向底部电极;在液滴缩回阶段,电子逐步回流到顶部电极;一旦液滴从顶部电极滑落,发电循环完毕。结果标明,关于从16 cm高度滴下的72 μL液滴,R-TENG能够发生46 nC(213µC m -2)的输出电荷,是传统单电极TENG的19倍。
为了验证雨滴和太阳能混合能量搜集的可行性,作者研讨了集成R-TENG的太阳能电池的输出功能。在液滴频率为50 mL min -1、匹配电阻为2 MΩ的情况下,R-TENG的均匀功率为30.60 μW(功率密度为40.80 mW m -2),高于500 Lux时太阳能电池的最大功率27.77 μW(功率密度为37.03 mW m -2)。作者还比较了R-TENG阵列(10个R-TENG)和太阳能电池板在雨水条件下的输出功能。在环境光强低于200 Lux、匹配电阻为2.4 MΩ的情况下,R-TENG阵列发生的均匀功率为152.24 μW(均匀功率密度为4.23 mW m -2)。此外,R-TENG阵列与太阳能电池板组合发电机在雨天的总功率也高于裸太阳能电池在雨天的输出功率,这有力地支撑了雨滴与太阳能发电机组合战略完成全天候能量搜集的可行性和有用性,特别是在雨天为电子产品供给可继续的电力供应。
作者开发了一套自供电无线光强监测体系,完成了对环境光强的实时监测。为了证明该自供电无线监控体系的可行性,作者进行了约1.5小时的长途信息监控,并运用集成发电机面板驱动无线传感器节点。作者将容量为147 μF的电容器在实验室光强约600 Lux的条件下,经过太阳能电池板充电至4 V,再经过R-TENG阵列充电至传感器节点的接通电压。当电容上的电压到达16 V时,无线传感器节点开端作业,检测环境光强,然后将信息传输给接收器。光强信息传输完成后,传感器节点进入睡觉状况,并由集成发电机充电3 min后再次激活。记载的时刻和光强信息可用于某一区域光强的统计分析,证明了该全天候自供电无线环境监测体系不仅能完成实时光强监测,还能结合智能反应体系完成信息闭环监测与反应,在智能农场、气候监测等范畴展现出巨大的使用远景。
总结:作者报导了一种高通明、大面积、结构简略、高效的R-TENG阵列,完成了全天候不规则雨滴和太阳能的搜集。经过比照R-TENG与太阳能电池单元的电输出功能,发现R-TENG在降雨50 mL min -1时的最大均匀功率密度(40.80 mW m -2))高于太阳能电池(37.03 mW m -2, 500 Lux),证明了该R-TENG与太阳能电池集成的可行性和有用性。此外,作者构建了一个自供电无线环境监测体系,对环境光强和气候状况进行实时监测。该作业为未来大型R-TENG阵列面板的规划供给了辅导,将在智能农业和气候监测中得到重要使用。
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