一种热电-摩擦电混合发电机，用于收集人体热能和运动能，作为南极洲的应急电源

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：A thermoelectric-triboelectric hybrid generator for harvesting human thermal and motion energy as an emergency power source in Antarctica

　　

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  TT-HNG收集人体热能和运动能，用于南极应急供电。
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  双通道电路解决了TENG-ThEG输出电压不匹配的问题。
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  组合型TT-HNG的最大瞬时功率达到38.1 mW。
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  已在南极通过负载和充电测试进行现场验证。

引言

在全球气候变化和环境恶化的背景下，可再生和绿色能源的开发与应用日益紧迫[1], [2], [3], [4], [5]。在南极等极端环境中尤其如此，传统可再生能源技术如风能[6], [7]、太阳能[8], [9]和氢能[10]虽已取得成功，但在恶劣气候条件下仍面临重大挑战。这些挑战包括高昂的维护成本以及可能对脆弱生态系统造成的潜在破坏[11], [12]。因此，亟需探索能够适应极端环境的新颖能量转换装置[13], [14], [15], [16]。

人体作为一个生物动态系统，通过运动产生机械能，并通过生理活动散发热能[17], [18], [19], [20]。若能高效利用这些能量，它们可作为极地等极端环境的应急电源，提升整体能源利用效率和自给能力[21], [22]。自2012年摩擦纳米发电机（TENG）概念首次提出以来，已有大量研究致力于将其应用于人体运动能的采集[23], [24], [25], [26], [27], [28]。2013年，Wang团队[29]开发了一种基于TENG的自供电背包，旨在采集行走过程中产生的振动能量。该背包重2 kg，峰值功率密度达到30.7 W/m²，足以点亮40个商用LED灯。2019年，Han及其同事[30]推出了一种具有柔性、可拉伸性和低成本优势 的自供电手环。当佩戴在不同身体部位进行吞咽、抬腿、跳跃、深蹲、呼吸和二头肌弯举等活动时，该手环能产生不同的电信号。2023年，Wang及其同事[31]受动物毛发启发，采用成熟的经编技术开发了一种三维经编毛圈织物摩擦纳米发电机（WKWKTF-TENG）。该创新产品兼具保暖、透气、柔软和舒适等特性，可集成于鞋垫和袜子中以采集行走、跑步和跳跃时的能量。此外，Liu等人[22]开发了一种基于一体化发电与感知系统（A-PGSS）的无源无线身体传感器网络，用于全天候条件下的状态感知。该系统将柔性摩擦纳米发电机与柔性非晶硅太阳能电池相结合，实现人体运动能和太阳能的同时采集。F-TENG模块在1.5 Hz下实现了425 V的开路电压、31 μA的短路电流和232 nC的转移电荷。2024年，Liu及其同事[19]基于柔性共享基底开发了一种微温差热电发生器-摩擦纳米发电机（MTEG-TENG），用于采集人体的机械能和热能。在最优条件下，MTEG和TENG部件分别实现了70.65 mV和27.9 V的开路电压（V_OC），以及26.3 mA和0.271 μA的短路电流（I_SC）。

尽管利用人体运动发电已取得进展，但仍存在若干局限。首先，现有方法主要专注于单独采集机械能或热能，却忽视了在南极等极端环境中的应用部署。此外，基于织物的能量采集装置虽提升了穿戴舒适性和便携性，但在电荷转移效率和能量密度方面存在固有局限。而且，现有前沿技术难以从关节等高动态身体部位高效提取电能。再者，较大规模的能量采集装置（如背包或集成系统）虽然能产生更高的功率输出，但会给穿戴者带来更大的身体负担，从而削弱其在极端环境中的实用性和便携性。鉴于上述问题，开发一种集热电和摩擦电技术于一体的混合能量采集装置，代表了在优化能量采集与转换效率的同时缓解现有装置上述局限的一项有前景的策略。此类技术进步对于极端环境应用尤为重要，有望为极端环境应用的进一步发展提供广阔前景[13], [32], [33]。

在本研究中，我们报道了一种创新的温差电/摩擦电混合纳米发电机（TT-HNG），并系统展示了其高效采集人体热能和机械能的性能。TENG部件采用聚四氟乙烯/聚酰胺/聚氨酯（PTFE/PA/PU）制备，具有多层结构，显著提升了电荷转移效率；此外，引入的PU赋予了其有效的机械缓冲性能。实验表征表明，TENG单元的最大输出电压为1140 V，短路电流为17.2 μA，峰值功率为2 mW。TENG采用垂直接触-分离工作模式，其中集成弹簧机构使单元能够自动恢复至初始状态。此外，在TENG部件上方集成了四个温差电模块，优化了混合装置的热能采集性能。这种合理的设计使TT-HNG能够通过简单而高效的触发机制，同时采集手部运动产生的机械能和人体散发 的热能。在温差为80 K的条件下，温差电发生器（ThEG）模块实现了最优输出性能，开路电压为0.95 V，短路电流为195 mA，峰值输出功率为36.1 mW。电容器充电测试证实，优化后的TT-HNG的充电速率显著快于单独的TENG或ThEG部件。研究人员设计了定制的能量管理电路，用于将TENG的交流（AC）输出与ThEG的直流（DC）输出高效耦合。商用LTC-3588和LTC-3108模块分别用于处理TENG和ThEG的电气输出；此外还实施了专用编程以确保两个部件的输出电压一致，从而使混合装置能够为各种低功耗电子设备供电。值得注意的是，TT-HNG在南极成功完成了现场测试，可靠地为电子钟、温湿度计、门铃触发器和LED灯等一系列低功耗电子设备供电。同时，TT-HNG还能高效为锂电池充电，并进一步驱动定位设备长时间稳定运行。综上所述，所开发的TT-HNG是一种极具前景的极端和特殊环境应急供电解决方案，在全球极地及其他恶劣气候条件下的实际部署方面具有巨大潜力。

章节摘要

TT-HNG的结构设计与工作原理

我们设计了一种简单的TT-HNG，用于采集人体的热能和运动能。该发电机由四个温差电模块、一个平面TENG、两块亚克力板和四根弹簧组成，如图1a所示。为了更清晰地展示TT-HNG的结构，视频S1展示了TT-HNG的爆炸视图。图1b展示了TT-HNG部署在南极中山纪念碑和长城纪念碑附近的情景。TENG采用垂直接触-分离模式工作，上层为

结论

本研究设计并优化了一种新型TT-HNG，通过集成TENG和ThEG实现人体运动能和热能的同时采集。TENG和ThEG采用垂直堆叠方式，创造了简单有效的触发机制，同时提升了整体能量采集效率。将多个温差电模块串联使用，显著增大了与手部的接触面积，从而提高了电输出。最大输出电压和电流为

材料制备

TENG的两个基底为商用亚克力板，每块尺寸为100 mm × 100 mm × 3 mm。四根弹簧的丝径为1 mm，外径为20 mm，长度为50 mm，材质为不锈钢。铜箔（厚度0.1 mm）用作电极和上层摩擦电层。实验中使用的PTFE、PA和FKM材料的厚度均为1 mm，弹性材料为10 mm厚的聚氨酯海绵。值得注意的是，摩擦电层

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到了山西省重点研发计划（202302130501006）和中国山西省留学回国人员专项（2025-098）的资助支持。

刘安国|康瑞辉|罗剑锋|席海锐|高辉|张海涛|窦银柯|王硕仁|张胡林|孙洪斌|桑圣博