基于摩擦纳米发电机的虹吸式自供电水位预警系统及其能量收集功能研究

针对传统水位监测系统依赖外部电源、稳定性差的问题，本研究提出一种基于摩擦纳米发电机（TENG）的虹吸式自供电水位预警系统。通过多级虹吸管结构将水位势能转化为水流动能，并利用旋转式TENG（R-TENG）实现水位传感与能量收集协同工作，系统具备厘米级分辨率、400 V高压输出及2.9 mW功率，为构建自供电洪水预警网络提供了创新解决方案。

　　

气候变化导致洪水频发，传统水位监测系统依赖电池供电，存在维护成本高、环境适应性差等瓶颈。摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）虽在自供电传感领域崭露头角，但现有TENG水位预警系统仍面临集成度低、抗干扰能力弱及能量转化效率不足等挑战。如何实现高精度、高稳定性的自供电水位监测成为亟待解决的科学问题。

浙江金华市科技计划项目支持的研究团队提出了一种创新解决方案：基于TENG的虹吸式自供电水位预警系统。该系统通过多级虹吸管阵列将水位高度线性转化为水流频率信号，结合旋转式TENG（R-TENG）同步实现传感与能量收集，最终在《Sustainable Energy Technologies and Assessments》发表了这一突破性成果。

关键技术方法
研究采用多级虹吸管结构（高度间隔30 mm）将水位势能分级转化为水流动能，通过R-TENG将机械能转化为电能。传感单元基于水位-频率线性关系设计，R-TENG采用转子-定子摩擦结构，输出性能通过电压-功率测试评估。实验验证了系统在湿度变化环境下的稳定性及预警功能。

研究结果

结构设计和工作原理
虹吸单元通过五级虹吸管阵列（出口直径7 mm）实现水位分级触发，当水位达到特定高度时，对应虹吸管启动并将水流导向R-TENG。R-TENG的转速与激活的虹吸管数量成正比，从而建立水位高度-输出频率的线性关系（图1）。

性能验证
系统在10-90%湿度范围内保持频率信号稳定性，分辨率达厘米级。R-TENG最大输出电压400 V，功率2.9 mW，可驱动能量管理电路。预警演示实验显示，系统能实时触发声光报警，验证了其在实际场景中的适用性。

结论与意义
该研究首次将虹吸效应与TENG技术结合，解决了传统系统电源依赖和信号干扰两大痛点。通过水位-频率线性传感机制和高效能量收集设计，系统兼具高分辨率（厘米级）、强抗干扰性（湿度不敏感）和稳定能量输出（400 V/2.9 mW）三大优势，为构建分布式洪水预警网络提供了可靠的技术路径。未来通过优化材料界面摩擦性能和虹吸结构微型化，有望进一步推动该技术在智慧水利中的应用。

（注：全文内容严格依据原文，未添加非文献数据，专业术语如TENG、R-TENG均按原文格式标注）