KI-TENG车辆悬架振动能量收集器：可行性、耐久性与全球碳减排潜力评估

《Sustainable Materials and Technologies》：KI-TENG: Vehicle energy harvester to reduce global carbon emissions

　　

KI-TENG首次被提出应用于车辆悬架系统（vehicle suspension systems）。证明了KI-TENG作为能量收集器（energy harvester）在车辆中的可行性。研究了KI-TENG在交通运输行业（transportation industry）中的潜在全球效益。促进交通运输行业（transportation industry）的可持续发展。

论文主体解读

研究背景与问题：交通运输部门是全球CO₂（carbon dioxide，二氧化碳）排放最大来源之一，占全球能源消耗超过30%、全球CO₂排放约37%。为实现《巴黎协定》目标，净零情景要求到2030年交通部门排放减少约25%，但交通部门高度依赖化石燃料，电动车和绿色交通基础设施虽有潜力，仍受市场不发达等阻碍。车辆运行中仅21.5%消费能量有效用于运行，大量能量因摩擦、气动阻力和机械振动浪费；悬架振动约消耗10%–12%运行能量，相当于每年1.11 (±0.10) × 10⁹吨CO₂排放。早期G.R. Wendel et al.提出车辆悬架能量再生系统，但再生减震器生产成本高、能量转换效率低，未大规模应用。TENG（triboelectric nanogenerator，摩擦纳米发电机）因超低成本、高效率和适应性受到关注，KI-TENG（Kirigami-inspired triboelectric nanogenerator，剪纸结构启发的摩擦纳米发电机）具有可拉伸、耐久和宽频优势。因此研究人员评估其在交通部门尤其是车辆悬架中的全球可行性，识别高密度车辆市场，并估算碳减排潜力。研究人员开展全球道路、车辆和能量收集器性能数据收集与假设建模，得出KI-TENG效率、热稳定性、耐久性、频率适配性和全球碳减排收益，认为其可支持全球气候目标并促进交通可持续转型。

关键技术方法概括：研究人员从GLOBIO GRIP全球道路数据库获取国家层面道路数据，该库整合OpenStreetMap等60余数据集，截至2018；车辆数量依据政府报告和2022年国家人口数据估算，车辆里程采用欧洲平均、南非数据及Kelley Blue Book全球平均。能量收集器性能通过Google Scholar和Web of Science检索至2023年4月20日，共157篇，筛选48篇分析。关键假设包括道路等级配对、车辆比例全球相似、各等级道路行驶距离与道路长度成正比、悬架能耗比10%、KI-TENG效率80%、年更换修正α=0.95，并以简化公式估算碳减排。

3.1 车辆能量耗散（Vehicle energy dissipation）：研究人员将车辆分为car、bus、truck和ORVs（Off-Road Vehicles，越野车），估算全球能量耗散比例。cars因数量占比高，能量消耗约59.9%，trucks因重量大和年行驶距离长占36.1%，buses和ORVs分别占2.3%和1.7%。IRI（International roughness index，国际粗糙度指数）用于衡量道路行驶质量；相同IRI下能量耗散随速度升高而增加，相同速度下随IRI增加而增加；平均车速从IRI为0时约160 km/h降至IRI为12时约60 km/h，振动耗散/速度比随IRI增加。全球道路分为highway、primary road、secondary road、tertiary road和local road，区域路网分布和质量受地质、社会经济和文化影响。

3.2 KI-TENG优势（Advantages of KI-TENG）：通过文献比较六类能量收集器。TENG在设备级控制实验条件下效率高，LM-TENG达70.6%，GF-TENG达85%。在20–80 °C温度范围，TENG能量收集效率仅变化于98%–102%；线性电磁减震器效率下降20.2%，旋转电磁减震器在80 °C降至71%，Direct Absorption Solar Collector和Flat Plate Collector降至约65%，Evacuated Tube Collector在80 °C约88.2%。耐久性方面，FS-TENG在50,000 cycles后保留低于20%，LP-TENG经润滑在40,000 cycles后由49.3%提高至86.5%，传统减震器50,000 cycles后保持超过90%，KI-TENG超过92%，主要归因于kirigami设计提升拉伸性并减少高频重复操作下的材料退化。

3.3 KI-TENG的发展（The development of KI-TENG）：TEG（triboelectric generator，摩擦发电机）概念由Wang et al.于2012年提出，输出电压仅3.3 V，限制工业规模应用；Wang et al.引入纳米颗粒增强电极摩擦后发展为TENG，输出电压提高近六倍。TENG由不同电子亲和性的纳米优化材料、支撑结构、电极和外电路组成，并采用石墨烯、h-BN、TMDs等二维材料。结构上，Kirigami包括Fractal-cut Kirigami和Close-loop Kirigami两种主要形式。KI-TENG遵循Close-loop Kirigami，由PET（polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯）膜层、Cu膜、FEP（fluorinated ethylene propylene，氟化乙烯丙烯共聚物）与Cu复合层以及acrylic base组成；Cu与FEP摩擦层接触分离时产生电势差和电子流，海绵层增加FEP有效接触面积。

3.4 KI-TENG应用于车辆悬架的可行性（Feasibility of applying KI-TENG in vehicle suspension）：车辆悬架振动多处于0.5–15 Hz，系统主要运行在0–25 Hz，峰值响应在0–15 Hz；KI-TENG设备级带宽为0–47 Hz，完全覆盖该范围并可稳定高效输出电压。以簧载质量加速度为舒适性指标，在幅值10 mm、频率0.5–5 Hz正弦激励下，加装TENG后簧载质量加速度为?8至8 m/s²，与未安装时几乎相同，说明轻量TENG结构对悬架振动影响有限。Hu et al.用S-TENG（sliding-mode triboelectric nanogenerator，滑动模式摩擦纳米发电机）证明基于TENG的能量收集可在随机道路激励下运行且不损害乘坐舒适性，支持KI-TENG集成可行性。

3.5 全球KI-TENG碳减排估算（Estimation of carbon emission reduction from KI-TENG in the world）：根据KI-TENG效率及各国车辆和道路分布，估计全球CO₂减排潜力约210 Mt。中国、美国、印度、巴西、日本和欧盟因车辆多、道路基础设施发达，总减排效果优；非洲、中亚和南美总体效益低。平均每车减排方面，阿尔及利亚、科摩罗、乍得等非洲国家超过160 kg/年，东亚、北美、欧洲为110–125 kg；差异与道路不平整、车辆少和行驶里程长有关。中国和美国总减排均超过35 Mt，其中广东、河南、加州和得州超过3.5 Mt；总体减排与人口密度和驾驶意愿相关。台湾、新疆、西藏、怀俄明、密西西比和新墨西哥等每车减排效益高，受地形和路况影响。发达地区总体效益好，可通过政策推广；欠发达地区每车效益高，可调动司机和消费者自主安装。

3.6 局限性（Limitation）：该研究为全球尺度理论评估，不是完整集成KI-TENG悬架原型的实验验证；KI-TENG尚未通过车辆实验或全尺寸悬架测试在代表性道路激励条件下评估，因此没有直接测量收集功率、悬架动力学、乘坐舒适性和燃料消耗。随机宽带道路激励、可变振动幅值、温度波动、机械冲击和系统集成损失未明确表征。全球CO₂减排估计受车辆活动、道路分布、燃料消耗、悬架能量损失比例、能量收集效率等参数不确定性影响；缺乏全球统一路面状况、交通活动、国家车辆组成和区域驾驶行为数据。假定10%悬架能量损失比例和80% KI-TENG效率作为线性缩放参数，主要影响绝对估计而非相对空间分布。未来需结合全尺寸实验验证、车辆特定能量转换和利用分析、改进不确定性评估、生命周期评估和技术经济评估。

讨论部分总结：研究人员讨论认为，KI-TENG在效率、热稳定性、耐久性、频率覆盖和轻量集成方面适合车辆悬架；全球应用存在发展不平衡，发达地区总碳减排潜力大，欠发达地区每车碳减排效益高，可采取差异化推广策略。研究局限在于理论评估和参数不确定性，后续需实验验证和完善模型。

研究结论翻译：本研究证明将KI-TENG这一高效振动能量收集器应用于收集车辆悬架振动损失能量具有高度可行性。通过比较分析，研究人员发现KI-TENG的能量收集效率为70.6%至85%，优于现有用于车辆悬架的再生减震器。此外，其在车辆悬架典型工作温度范围20–80 °C内性能几乎不变，表现出其他能量收集器未见稳定性。由于Kirigami薄膜设计，KI-TENG在耐久性上超过现有减震器。研究人员进一步评估了KI-TENG应用于悬架系统的适用性。首先，其频率收集带宽涵盖传统车辆悬架的振动频率。其次，TENG的轻量特性以及来自可比TENG基悬架系统的实验证据表明，KI-TENG具有良好集成到车辆悬架系统的潜力，对乘坐舒适性影响有限。因此，KI-TENG高度适应悬架系统。尽管全球发展存在差异，研究人员发现该技术在全球尺度高度可行。当装备KI-TENG的悬架系统应用于路网广泛、人口多、车辆数高的发达地区时，可实现显著总碳减排。相反，在道路条件较差、车辆较少、平均车辆尺寸较大的欠发达地区，该系统显著降低每车碳排放。因此，KI-TENG系统有潜全球应用于车辆悬架，对全球碳减排有重要贡献。