研究背景
随着经济社会快速发展，全球能源需求持续攀升，对可持续、多元化能源解决方案的需求日益凸显。其中，风能因其资源丰富和环境友好特性备受关注。尽管传统风力发电机具有可观的发电能力，却受制于成本高、占地面积大等问题。摩擦纳米发电机（TENG）作为能量收集领域的重大突破，兼具成本低、体积小、环境适应性强等优势，特别适合微型化分布式供能场景，已成为将风能转化为电能的前瞻性方案。然而，TENG的启动发电需克服静摩擦阈值才能触发摩擦电效应，限制了其在普遍的低风速环境中的工作效率，造成大量风能资源未被有效利用。另一方面，TENG在运行过程中接触材料的机械摩擦会导致表面磨损，随时间推移会降低电荷转移效率，影响器件性能与寿命。高频次、高强度的机械相互作用会加速这一劣化过程。虽然已有研究通过开发高耐磨材料部分解决问题，但其制备工艺复杂且难以规模化，且未能根本解决TENG的机械结构局限性。因此，亟需通过机械结构的创新设计来同步提升TENG的低风速性能、环境耐久性及运行可靠性。
文章概述
近日，西南交通大学杨维清教授团队提出了用于宽风速范围风能收集的高耐久性ESHD-TENG，成功解决了低风速启动和机械耐久性的关键难题。该装置采用重新设计的扇叶结构，其启动风速可低至0.9 m/s。通过牵引绳和磁铁的巧妙组合，实现了转子与定子之间接触-分离模式的精确控制，使设备能够根据风速变化自动切换工作模式。相较于未采用高耐久设计的TENG，本装置的持续运行时间延长6倍。该装置被集成应用于高速公路隧道环境，不仅实现了风能的高效收集与存储，还能为隧道内的环境监测等系统提供稳定电力支持。该研究提出了一种适应宽风速范围环境的风能收集新策略，为隧道风能的收集和利用提供了理想的解决方案，同时为隧道系统的电源管理提供了新思路。
该研究成果以“A High-Durability Triboelectric Nanogenerator for Broad-Spectrum Wind Energy Harvesting”为题发表在Advanced Materials Interfaces上，论文通讯作者为西南交通大学杨维清教授，第一作者为西南交通大学靳龙助理教授。本工作得到了国家自然科学基金、博士后创新人才支持计划、四川省科技计划等项目支持。
图文导读
图1 ESHD-TENG的设计理念与结构框架示意图。a) ESHD-TENG的设计理念，以及易启动设计与高耐久性设计之间的逻辑关系示意图；b) ESHD-TENG的整体结构示意图；c) ESHD-TENG中重新设计的易启动扇叶实物图；d) ESHD-TENG转子与定子部件的结构框架示意图。
图2 ESHD-TENG的工作原理及易启动设计与高耐久性设计的详细分析。a) ESHD-TENG接触模式下的电荷转移示意图；b) ESHD-TENG分离模式下的电荷转移示意图；c) ESHD-TENG易启动扇叶在主视图方向上的受力分析；d) ESHD-TENG易启动扇叶在俯视图方向上的受力分析；e) ESHD-TENG模式切换示意图；f) ESHD-TENG模式切换过程中转子的受力分析；g) ESHD-TENG三种工作模式的示意图与实物图。
图3 ESHD-TENG的电学性能与模式切换临界点分析。a) 测试所用伺服电机系统的结构示意图；b) 采用3 mm厚强磁铁的ESHD-TENG在不同转速下的开路电压；c) 采用3 mm厚强磁铁的ESHD-TENG在不同转速下的短路电流；d) 不同磁铁厚度的ESHD-TENG中转子和定子完全分离时的临界转速；e) 不同磁铁厚度的ESHD-TENG在100至500 rpm转速区间反复切换时的最大输出电压；f) 伺服电机的转速输出曲线；g) 模式切换过程中电压输出的变化情况；h) 电压输出变化的局部放大图。
图4 ESHD-TENG的功能验证结果。a) 耐久性测试后转子与定子的实物照片；b) 耐久性测试前后PU与PTFE材料的表面光学显微镜照片；c) 2小时耐久性测试期间电学输出变化曲线；d) ESHD-TENG转速与风速的对应关系；e) 易启动扇叶与传统TENGs扇叶的启动风速对比；f) ESHD-TENG启动风速与其他TENGs装置的对比数据；g) ESHD-TENG在不同转速下的电容器充电性能；h) 不同容量电容器的充电特性；i) ESHD-TENG的输出功率与瞬时峰值电流-电阻关系曲线。
图5 ESHD-TENG在隧道风能收集中的应用展示。a) 隧道自供电能量收集系统的概念示意图；b) 环境监测、照明安全与洪水预警系统架构，展示通过蓝牙和计算机进行数据传输与存储；c) 后端电路的原理图；d) ESHD-TENG在黑暗环境下点亮200个LED灯的演示；e) ESHD-TENG为温湿度计供电并通过蓝牙向手机传输信号的实例；f) ESHD-TENG驱动水浸报警器并通过蓝牙发送预警信息的应用场景。
