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IJMSD | 香港科技大学（广州）訾云龙副教授团队：摩擦纳米发电机的动力学综述

已有 1369 次阅读 2023-8-23 15:22 |个人分类:IJMSD|系统分类:论文交流

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图文导读

图1 (A)TENG的能量转移模型；(B), (C) TENG的动力学建模

摩擦纳米发电机（TENG）作为一种能源收集系统，可以直接将周围环境中的机械能转化为电能。目前，学者们已经建立了相对完善的理论模型来描述TENG基本模式的输出情况。通常情况下，TENG可以被视作一个由相对位移x变化引起的可变电容C(x)和电压源串联的单元，而电流和功率的输出则可以通过外部电路的输出得到。然而，现有模型仅关注电输出能量，而系统所需的机械输入能量仍不清楚，因此无法有效预测TENG的动态性能和能量转换效率。考虑到一个完整的TENG能量收集过程是从机械能开始，然后转化为静电能，再释放到外电路做功产生电能，因此研究TENG的动力学行为需要考虑机械能的输入问题，并建立更加完备的机电耦合模型。这对于优化TENG的输出，提高工作带宽以及深入了解其运行机制颇为重要。

近日，香港科技大学（广州）訾云龙副教授团队在《国际机械系统动力学学报（英文）》（International Journal of Mechanical System Dynamics, IJMSD）发表“摩擦纳米发电机的动力学综述”。该文全面总结和介绍了TENG动力学研究的最新进展。文章首先介绍了TENG系统中从机械能到电能转换过程中的能量流，从而构建了完整的机电耦合系统；然后着重讨论了TENG与弹簧力、磁力、重力等结合后的动态行为，并回顾相关研究进展。此外，文章还分类讨论了提高TENG工作带宽的不同方法和在各种环境下采集振动能量的策略；最后，总结了TENG在收集振动能量方面存在的许多问题，并展望未来研究的潜在发展方向。

Triboelectric nanogenerators (TENGs) represent a promising next-generation renewable energy technology. TENGs have become increasingly popular for harvesting vibration energy in the environment due to their advantages of lightweight, broad range of material choices, low cost, and no pollution. However, issues such as input force irregularity, working bandwidth, efficiency calculation, and dynamic modeling hinder the use of TENGs in industrial or practical applications. In this paper, the modeling process of the dynamical system of a TENG is reviewed from the perspective of energy flow. In addition, this paper reviews the main contributions made in recent years to achieve optimized output based on springs, magnetic forces, and pendulums, and introduces different ways to increase the bandwidth of TENGs. Finally, the main problems of TENGs in the process of harvesting vibration energy are discussed. This review may serve as a practical reference for methods to convert irregular mechanical input sources into optimized output performance toward the commercialization of TENGs.

Keywords:

triboelectric nanogenerator, vibration, energy harvesting, electromechanical coupling model, broad bandwidth

DOI: 10.1002/msd2.12058

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/msd2.12058

Cite this article: Xu G, Li C, Chen C, Fu J, Hou T, Zi Y. Dynamics of triboelectric nanogenerators: a review. Int J Mech Syst Dyn. 2022, 2(4):311-324. doi:10.1002/msd2.12058.

该文亮点：

提出了TENG完整的能量流系统，并构建了更完整的机电耦合系统；
回顾了TENG与弹力，磁力以及重力等结合后的动力学模型及相关研究；
分析了TENG动力学模型目前遇到的诸多挑战性课题；
展望了TENG在收集不同振动能量方面的潜在优越性。

Highlights:

A whole energy flow system for triboelectric nanogenerators (TENG) is proposed and a complete electromechanical coupling system is constructed.
The dynamics models and related studies of TENG combined with elasticity, magnetism and gravity are reviewed.
Current challenges encountered in the TENG dynamics models are addressed.
Potential advantages of TENG for harvesting different vibration energies are illustrated.

作者简介

徐国强 香港城市大学博士后，2017年取得清华大学学士学位，2022年取得香港中文大学博士学位。主要研究方向为能量收集、摩擦纳米发电机的力能转换系统及摩擦起电机理。

李传扬 2022年6月入职清华大学电机系，任助理研究员。2018年7月毕业于清华大学电机系，取得博士学位，2018年10月—2019年10月在博洛尼亚大学进行博士后研究，2019年11月—2021年11月在康涅狄格大学进行博士后研究，2021年11月—2022年5月在香港中文大学进行博士后研究。已发表SCI论文60余篇，含2篇ESI高被引论文，1篇ESI热点论文，论文他引1 000余次（Web of Science）；多篇发表于Appl. Phys. Lett.等期刊的一作论文被选为Editor’s Pick、Editor’s Choice、编辑优选、Highly Cited Paper、Cover Page Paper及Featured Article等。任High Voltage, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, CSEE JPES期刊Associate Editor。获IEEE Caixin Sun & Stan Grzybowski青年学者成就奖及Steven A. Boggs青年学者成就奖。

陈超杰 香港中文大学机械与自动化工程系博士研究生，2018年取得北京科技大学材料科学与工程系学士学位，2021年取得清华大学材料科学与工程系硕士学位。研究兴趣包括压电纳米发电机、可穿戴传感器和自供电系统。

付璟璟 香港理工大学博士后，2017年取得吉林大学材料成型与控制工程专业学士学位，2022年取得香港中文大学博士学位。研究兴趣集中于放电机理、优化摩擦纳米发电机的能量采集系统、无线传感器、摩擦光子学等。

侯婷婷 香港中文大学机械与自动化工程系博士研究生，2020年取得中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所材料科学硕士学位。研究兴趣包括摩擦纳米发电机在机械发光和电致发光中的应用，以及固液摩擦纳米发电机。

訾云龙 香港科技大学（广州）长聘副教授、博士生导师（2022年7月开始）。2009年取得清华大学材料科学与工程系学士学位，2014年取得美国普渡大学物理系博士学位，2014—2017年在美国佐治亚理工大学从事博士后研究工作。2017—2022年于香港中文大学任助理教授，组建微纳能源与智能系统实验室。訾教授长期从事高性能摩擦能量采集、摩擦光子学、自驱动传感系统、摩擦起电、静电放电、纳米材料和器件相关的工作，在多个领域取得多项原创性科研成果。訾博士已在Nature Nanotechnology、Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Science、ACS Nano、Nano Energy等国际一流期刊发表SCI收录论文100余篇，引用9000余次，H因子47，并出版中、英文学术专著各一部。曾荣获Nano Energy Award (2021)、Journal of Materials Chemistry C先锋研究者(2018)、微系统与纳米工程峰会青年科学家入围奖(2018)、美国材料研究学会MRS Postdoctoral Award (2017)、普渡大学“转型创造者”(2013)等学术奖励和荣誉。2021年入选国际先进材料学会会士(FIAAM)、Vebleo学会会士。目前担任IEEE Open Journal of Nanotechnology副编辑、Electronics Letters副编辑、InfoMat青年编委、《半导体学报》青年编委等学术职务。

期刊简介

IJMSD由来自18个国家的20位院士、17位国际学会主席、20位国际期刊主编等69位科学家和国际出版巨头美国Wiley出版社合作创立。主编为南京理工大学芮筱亭院士，3位合作主编分别是加拿大皇家学会会士、加拿大工程院院士、欧洲科学院院士、加拿大麦吉尔大学Marco Amabili院士，国际理论与应用力学联盟(IUTAM)前司库、国际多体系统动力学协会(IMSD)前主席、德国斯图加特大学Peter Eberhard教授和美国工程院及科学院两院院士、欧洲科学院外籍院士、中国科学院外籍院士、美国工程科学协会前主席、美国西北大学Yonggang Huang院士。

IJMSD旨在用机械系统动力学科学与技术为现代装备设计、制造、试验、评估和使用全生命周期性能的提升提供先进的理论、软件、方法、器件、标准，为全球科学家和工程专家提供广泛的机械系统动力学国际交流平台。IJMSD强调从“系统”视角及系统级工具理解动力学，所涉及的机械系统不仅包括各种不同尺度的机械系统和结构，还包括具有多物理场/多学科特征的综合机械系统。

目前，IJMSD 已被ESCl, Scopus, Inspec, DOAJ等收录。2023年免收出版费，并为已录用稿件免费提供专业语言润色服务，欢迎全球科学家投稿交流。

期刊主页：

https://onlinelibrary.wiley.com/journal/27671402

投稿网址：

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编辑部邮箱：office@ijmsd.net

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