基于磁排斥力的混合风能采集器，配备非接触式摩擦电传感器，用于实现设备自给自足及环境监测应用

《Nano Energy》：Magnetic repulsion-assisted hybrid breeze wind energy harvester with non-contact triboelectric sensor for self-sustainable device conditioning and environmental monitoring applications

提出磁斥力辅助混合微风风力发电系统（MR-HWEH），集成电磁发电机组与非接触单电极自供能摩擦电传感器，利用磁斥力减少转子的有效质量并延长旋转时长，同时通过NC-SPTS实时监测风速、风向及设备状态，实现低稳态风速（3ms?1）下14.08Wm?3的平均功率密度，并构建自供电物联网环境监测系统。

　　在当前的能源利用和环境监测领域，风能作为一种清洁可再生资源，因其全天候可用性以及在陆地和海上环境中的广泛适用性而受到高度重视。然而，传统的风能采集设备在面对低风速和不规则风况时面临诸多挑战。例如，低风速通常低于3.28米每秒，这使得风力涡轮机难以有效运行。此外，现有设备往往体积较大、重量重、安装成本高、能量转换效率低，限制了其在风力资源贫乏地区的应用。因此，亟需开发一种新型的风能采集系统，能够在低风速和不规则风况下实现高效的能量转换，并具备自适应和自维护的功能，以确保长期稳定的运行。

为了应对这些挑战，研究人员提出了一种基于磁斥力辅助的混合风能采集系统（MR-HWEH）。该系统结合了电磁发电装置和非接触式单电极自供电摩擦纳米发电机（NC-SPTS），分别用于风能采集和风参数监测。电磁发电装置能够从低风速和不规则风况中高效地提取能量，而NC-SPTS则用于检测风速、风向以及设备的运行状态，从而实现自维护警报。这种设计不仅提高了系统的适应性，还减少了对高风速的依赖，使得设备能够在更多样化的环境中运行。

在系统设计方面，采用了磁斥力驱动的原理来减轻涡轮机和旋转层的有效质量。通过在涡轮机的顶部旋转层和底部固定层之间布置八个磁体，这些磁体以极性相对的方式排列，从而产生磁斥力，实现涡轮机的悬浮。这种磁斥力不仅降低了涡轮机的转动惯量，还提升了其旋转效率。同时，为了进一步提高能量转换效率，中间层采用了四组多匝线圈，这些线圈以环形方式排列，与旋转层中的磁体形成电磁感应。这种结构设计使得设备能够在低风速和不规则风况下保持稳定的运行，提升了整体的能量采集能力。

在风参数监测方面，NC-SPTS采用了一种非接触式的工作模式，避免了传统摩擦纳米发电机中由于直接接触而引起的材料磨损和寿命缩短的问题。具体而言，NC-SPTS由聚酰胺（6/6）纳米纤维（正极层）和聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）纳米纤维（负极层）组成。正极层固定在涡轮机的外缘，而负极层则附着在设备外壳的内壁上。通过这种非接触式配置，系统能够有效地检测风速和风向，并在风速变化时提供自维护警报，从而预测设备可能的故障。

为了验证系统的性能，研究人员进行了多项实验。首先，通过调整磁体数量、磁斥力高度、磁体之间的间距以及磁斥力强度，测试了系统在不同风速条件下的运行效率。这些实验结果表明，磁斥力的优化配置能够显著延长涡轮机的旋转时间，从而提高能量采集效率。其次，通过改变线圈数量、线圈位置以及线圈与磁体之间的对齐方式，研究人员进一步优化了系统的输出性能，并在不同的风速范围内进行了实验测试。实验结果表明，该系统在低风速（3米每秒）下能够实现平均功率密度为14.08瓦每立方米的输出，这一数值远高于传统风能采集设备的效率。

此外，为了实现系统的自适应和自维护功能，研究人员还集成了一套基于微控制器（MCU）、蓝牙（BLE）以及多功能环境监测传感器（包括空气质量、湿度和温度）的控制模块。这些传感器能够实时监测环境条件，并将数据传输至定制设计的网络平台，从而实现远程监控和数据展示。这种集成设计不仅提高了系统的智能化水平，还增强了其在户外环境中的适用性。

在材料选择方面，研究人员使用了聚酰胺6/6颗粒和PVDF-HFP颗粒作为摩擦纳米发电机的材料。这些材料具有良好的摩擦性能和电荷积累能力，能够有效地转化为电能。此外，还使用了二氯甲烷（DCM）、甲酸、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、丙酮和Kapton等化学试剂和材料，用于纳米纤维的制备和涂层处理。磁体部分则采用了钕铁硼（NdFeB）磁体，其磁性强度较高，能够提供足够的磁斥力以支撑涡轮机的重量并提高旋转效率。

在系统设计和制造过程中，研究人员利用3D打印技术制造了涡轮机的结构部件，包括顶部层、底部层、中间层、轴、外壳和Savonius涡轮机。这种制造方式不仅提高了设备的精度和一致性，还降低了生产成本。线圈部分则采用铜材料制造，通过精确的绕线工艺确保了线圈的电气性能和机械强度。整个系统的组装过程经过严格的质量控制，以确保各部件之间的连接稳定性和整体性能。

为了进一步提升系统的可靠性，研究人员还考虑了设备在极端风况下的运行状况。通过在系统中集成自维护警报模块，设备能够在风速剧烈变化时自动检测运行状态，并在出现异常时发出警报。这种功能不仅提高了系统的安全性，还延长了其使用寿命。同时，研究人员还测试了不同材料组合对摩擦纳米发电机性能的影响，以确保系统在长期运行中能够保持稳定的输出。

在实际应用方面，该系统已经被成功应用于多种低风速环境，并能够采集足够的电能以供环境监测传感器、MCU和BLE模块使用。采集的电能被存储在商业可充电电池中，并通过无线方式传输至网络平台，从而实现了远程监控和数据展示。这种自给自足的户外物联网（IoT）系统不仅减少了对传统能源的依赖，还提高了环境监测的效率和可持续性。

总之，基于磁斥力辅助的混合风能采集系统（MR-HWEH）代表了一种新型的风能利用方式。该系统通过优化涡轮机和旋转层的设计，提高了能量采集效率，并通过非接触式摩擦纳米发电机实现了风参数的实时监测和自维护功能。这种设计不仅解决了传统风能采集设备在低风速和不规则风况下的局限性，还提升了系统的智能化水平和可持续性。未来，随着材料科学和制造技术的进一步发展，这种系统有望在更广泛的领域中得到应用，为实现自主环境监测和能源自给提供新的解决方案。