非线性驰振驱动的摩擦电-电磁混合发电机（NG-TEHG）实现低速风能高效捕获与自供能传感应用

本研究针对低速风能采集效率低、传统摩擦电纳米发电机（TENG）在流致振动（FIV）应用中易受环境干扰和机械损伤等问题，设计了一种非线性驰振驱动的摩擦电-电磁混合发电机（NG-TEHG）。通过系统优化结构刚度、几何构型和材料黏性，实现了在2.29–7.80 m/s宽风速范围内的稳定工作，峰值功率达10 mW，并成功驱动无线温度传感节点，为自供能物联网系统提供了创新解决方案。

　　

在全球能源转型与物联网技术迅猛发展的背景下，如何高效利用环境中广泛分布但尚未被充分开发的低速风能，成为可持续能源领域的一项关键挑战。传统的风能采集设备通常依赖于高风速环境，而在城市、室内或自然通风较弱的场景中，风速往往较低且波动较大，导致能量采集效率低下。此外，尽管摩擦电纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）因其高频输出、低成本和高可定制性在微能量采集领域展现出巨大潜力，但其在实际应用中仍面临诸多瓶颈：例如，直接暴露于大气中的TENG易受湿度、温度和颗粒物等环境因素的影响，不仅输出性能会逐步衰减，机械结构也容易因长期变形和摩擦导致疲劳损坏。

针对上述问题，来自郑州大学机械与动力工程学院的康喜龙、王俊雷等人联合团队在《Green Energy and Intelligent Transportation》发表了一项创新研究，提出了一种名为“非线性驰振驱动的摩擦电-电磁混合发电机”（Nonlinear Galloping-driven Triboelectric-Electromagnetic Hybrid Generator, NG-TEHG）的新型能量采集装置。该装置巧妙地结合了摩擦发电与电磁发电原理，通过非线性耦合机制实现了在宽风速范围内的稳定高效能量输出，并成功应用于自供能无线传感系统，为低速风能的高效利用提供了全新的技术路径。

本研究采用了多学科交叉的实验方法，主要包括：结构动力学设计与优化、流-固耦合（FSI）振动测试、摩擦电材料性能调控（如Ecoflex泡沫薄膜的制备与黏性控制）、以及电磁发电机（EMG）的集成与输出测量。实验中通过对 bluff body（钝体）弹性支撑系统、TENG单元弧壁形态、初始间隙距离和多材料黏性等关键参数进行系统调节，结合高速摄像与电输出特性分析，实现了对装置工作状态的精确监控与性能优化。

3.1. 结构调优与动力学增强

研究人员首先通过更换不同刚度的 bluff body 弹簧和TENG弹簧，优化了系统的等效刚度与振动响应。实验表明，长度为25 mm、刚度0.084 N/mm的弹簧在无TENG连接时表现出最低的起振风速和稳定的高幅振动。进一步地，通过对比三种TENG弹簧的性能，发现刚度为0.175 N/mm的弹簧能更有效地将 bluff body 振动能转化为电能。在弧壁形态优化中，非对称半水滴形表面相较于对称形态更有利于维持高风速下的驰振运动，避免了振动幅值的骤降。

3.2. 材料黏性对工作带宽的调控机制

研究团队制备了不同发泡微球掺杂浓度（5 wt%、10 wt%、15 wt%）的Ecoflex泡沫薄膜，以调节材料的黏性。结果表明，随着材料黏性增加，系统的截止风速逐渐降低。使用10 wt% Ecoflex 时，装置在1.98–4.74 m/s范围内输出性能最优，并在更高风速下仍能维持小振幅振动，从而既拓宽了工作带宽，又保护了结构免于过度振动带来的损伤。

3.3. NG-TEHG的输出特性与实际应用

在最终优化参数下，NG-TEHG在风速4.74 m/s时，风侧TENG（W-TENG）开路电压达519 V，背风侧TENG（L-TENG）为389 V，峰值总功率为10 mW，RMS功率为3.34 mW。电磁发电机单元在50 Ω负载下峰值功率为3.31–4.01 mW。该装置成功点亮多LED显示板，并能通过储能电容快速充电驱动电子计时器和蓝牙低功耗（BLE）无线温感节点，在实际应用中表现出良好的稳定性和实用性。

本研究通过创新性地结合非线性动力学设计、多模式发电单元集成与材料界面调控，成功开发出可在宽风速范围内高效工作的NG-TEHG系统。该装置不仅显著提升了低速风能采集的效率与可靠性，还实现了对高电压、微功率电子设备的直接驱动，展现出在分布式传感、环境监测和物联网设备供能领域的广阔应用前景。此外，工作中对流体—结构—材料—电路多重耦合机制的深入剖析，也为未来高性能风能采集装置的设计提供了重要理论依据和技术支撑。