用于低速风能收集的瞬态击穿摩擦电纳米发电机的动态建模与实验研究

《MECHANICAL SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSING》：Dynamic modeling and experimental investigation of a snap-through triboelectric nanogenerator for low-speed wind energy harvesting

　　•提出了一种采用反极磁排列的瞬态摩擦电纳米发电机。•这种反极磁排列降低了利用微风获取能量的启动扭矩。•建立了风机械-电气耦合动态模型并进行了验证。•对磁极配置和结构参数进行了系统优化。•该原型机的启动风速可达3米/秒，能够为600个LED灯及一个低功耗温度传感器供电。

引言
物联网和无线传感器网络得以广泛应用的关键挑战在于实现长期稳定运行，尤其是在智能农业和环境监测等领域，因为可持续能源供应存在限制[1][2]。传统化学电池由于能量容量有限、需要频繁更换以及环境问题，不适合为分布式传感器节点提供持续电力[3]。因此，利用环境中的机械能来为自供电系统提供能量已成为解决这一问题的关键策略[4]。作为丰富且可再生的能源，风能尤其适合为低功耗电子设备供电，尤其是那些部署在户外或偏远地区的设备[5][6]。然而，近地面风速通常较低且不稳定，平均风速往往低于5米/秒[7]。传统风力涡轮机主要通过电磁感应产生电能[8]，但其固有的电磁阻尼会导致较高的启动扭矩，这不仅限制了高效启动和停机，还影响了在低风速下的持续发电能力，从而降低了整体机电能量转换效率[9]。为了解决这个问题，Ao和Reynolds研究了涡流阻尼器和电磁阻尼器，发现它们可以通过电磁感应提供非接触式阻尼力，从而避免能量转换过程中的机械摩擦，提高机电转换效率[10][11][12]。压电能量收集器结构紧凑、功率密度高，非常适合用于无线传感器节点等低功耗应用[13][14]。然而，传统的线性共振型压电能量收集器仅在窄频带内高效工作，这限制了它们在振动频率较低或变化较大的环境中的应用[15][16]。虽然双稳态结构等非线性设计可以在一定程度上拓宽工作带宽并改善低频响应[17][18]，但它们仍然面临一些问题，如高输出阻抗以及长期随机振动导致的材料疲劳，这些都会影响其在户外微风环境中的可靠性和使用寿命。Wang等人[19]提出了一种具有磁耦合双稳态结构的涡激振动压电能量收集器，通过整流电路使平均输出功率提升了174.32%。不过，其结构复杂性及动态稳定性在真实风环境中仍存在工程难题。

自从2012年Wang的团队首次报道摩擦电纳米发电机以来[20]，它为捕获环境中的机械能提供了一种有前景的方法[7][21]。该技术对低频、大位移运动具有高灵敏度，材料选择灵活，制造成本低，且易于集成到柔性系统中。基于摩擦电纳米发电机的风能收集器大致可分为两类：旋转滑动型（如圆盘和叶片设计）和垂直接触分离型[22]。前者虽能提供连续的能量输出，但由于持续接触导致界面材料磨损，会影响其长期运行的可靠性[23]。Zou等人[2]提出了一种自调节策略，使基于摩擦电纳米发电机的风能收集器能够根据实时风速调整工作模式。通过调节离心力和非线性磁力，摩擦电纳米发电机功能材料的接触分离可以自动适应不同的风速。垂直接触分离型通常与风致振动（如颤振或涡激振动）结合使用，以降低启动风速，但它仍存在一些常见缺陷：输出频率低、阻抗不匹配、弱风条件下输出不稳定，以及整体能量转换效率有限[24][25]。Fan等人[26]开发了一种具有自动模式切换功能的磁悬浮摩擦电纳米发电机。该装置在2.4米/秒的风速下以间歇接触模式开始工作，随着风速增加则平滑过渡到非接触模式，表现出良好的适应性。为了进一步提高性能，研究人员开始采用非线性机制，这类机制可以拓宽工作带宽，并在弱激励下实现大幅度的接触分离运动[27][28]。Wang等人[29]设计了一种软-软接触、非线性耦合振荡的摩擦电纳米发电机，在2.292至7.8米/秒的风速范围内，其开路电压可达1700伏，功率输出为4.67毫瓦，该发电机被用于为电子时钟和无线温湿度传感系统供电。另外，双稳态机制也被证明可以提高流体能量收集的性能。Qin等人[14]利用磁斥力创建了一个屈曲双稳态系统，将启动风速降至1.30米/秒，在1.30至1.85米/秒的风速范围内保持高效输出，同时提高了结构耐用性。Bai等人[30]基于屈曲双稳态梁开发了一种摩擦电-压电-电磁混合风能收集器。在5米/秒的风速下，该装置可为1000个LED灯供电，实现自供电的环境监测，这为其在基础设施状态监测中的应用带来了可能。尽管现有研究已经证明了双稳态机制和混合能量转换在风能收集方面的有效性，但这些技术在户外低风速环境中的实际应用仍受其环境适应性的限制。在许多现有的基于摩擦电的风能收集器中，摩擦电界面或传输部件往往部分暴露在空气中，这使得其输出性能容易受到湿度、灰尘积累和表面污染的影响。此外，摩擦电层之间的持续或滑动接触会加速材料磨损，而复杂的混合结构则会增加机械阻力并提高结构整合的难度。总体而言，目前大多数高性能设计仍存在一些共同缺陷，如结构复杂、摩擦电材料界面严重磨损以及环境适应性差，这些因素限制了它们在真实低风条件下的广泛应用[31][32]。

为了解决这些问题，本文提出了一种专为低风速风能收集而设计的瞬态摩擦电纳米发电机（STENG-BA），它采用了屈曲双稳态机制和反极磁排列。该装置通过非接触式磁传动连接杯状转子和摩擦电纳米发电机模块，还将摩擦电单元置于保护框架内，从而减少功能层直接受到外部环境干扰的程度。与此同时，反极磁排列降低了磁阻扭矩和启动扭矩，确保在低风速条件下能够稳定运行，同时将启动风速降至3米/秒。具体而言，环境中的风能驱动杯状转子，通过磁驱动模块将其转换为可控的非接触式磁激励，促使屈曲梁在其两种稳定状态之间进行大幅度的瞬态运动。这种运动进而推动摩擦电功能层进入接触-分离循环，从而提高能量转换效率。由于在低风速下能量捕获效率和系统可靠性都得到了提升，STENG-BA不仅增强了结构稳定性和环境适应性，还为智能农业和野外环境监测等自供电物联网系统提供了实用的解决方案。

结构设计
如图1所示，所提出的STENG-BA专为在低风速下高效收集风能而设计。它可以与无线传感器节点集成，以实现自供电的环境监测和可靠的信号传输。该装置由三个主要模块组成，即风能收集模块（杯状风速计转子）、磁传动模块以及摩擦电纳米发电机模块。杯状风速计转子可将风能转化为旋转运动。

建模
为进一步明确STENG-BA的工作特性和输出性能，根据其工作原理建立了机电耦合动态模型。图4展示了该模型的受力分析和几何结构。按照参考文献[33]中的方法，还建立了接触-分离型摩擦电纳米发电机的电学输出模型，其表达式如下：
RdQdt=-Qsε0dFεrF+u(t)+σu(t)ε0
在该表达式中，R表示外部负载。

实验装置
通过实验评估了屈曲双稳态结构和反极磁排列对STENG-BA输出性能的影响。根据初始设计参数和有限元仿真模型制作了原型机，并搭建了实验测试平台，如图5(a)所示。表1列出了该原型机的关键几何尺寸和材料参数。屈曲梁由65Mn钢制成，这种材料具有良好的机械性能。

结论
本研究提出了一种结合了屈曲双稳态结构和反极磁排列的瞬态摩擦电纳米发电机（STENG-BA）。实验结果表明，与同极磁排列相比，反极磁排列显著降低了磁阻扭矩和启动扭矩，从而降低了启动风速并提高了输出性能。同时，还建立了风机械-电气耦合动态模型。

STENG-BA的原型制备
这种结合了屈曲双稳态结构和反极磁排列的瞬态摩擦电纳米发电机（STENG-BA）的尺寸为220毫米×220毫米×165毫米。该装置主要由风速计杯模块、旋转磁驱动模块、发电模块以及保护外壳组成。风速计杯模块包含六个直径为60毫米的杯子，这些杯子通过中心轴和轴承（600Z，NSK，日本）与旋转磁驱动模块相连。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢
作者衷心感谢中国国家自然科学基金（项目编号12402012）、湖南省自然科学基金（项目编号2024JJ7102）、湖南省教育厅重点科研项目（项目编号25A0524）以及上海玉兰人才计划浦江项目（项目编号25PJD060）的支持。

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