环境污染和能源危机问题激发了人类对可持续能源日益增长的渴望。风电和水力发电由于储量大、无污染，作为可持续能源得到了广泛的研究和应用。此前，风电和水电依靠电磁发电技术，需要高流量才能发电。传统的风能收集装置针对高风速（5 m s−1）进行了优化，这种情况仅在少数地区或高海拔地区普遍存在。因此，许多地区和低海拔地区的低速风能仍未得到充分利用。然而，广泛的低速风能或水流能有望解决物联网传感器的供电问题，是一种亟待发展的分布式可持续能源。因此，需要创新的能量收集方法来有效利用这种低速流动能量并克服相关挑战。智慧农业和智慧城市中蕴藏着丰富的微风和河流等低速流动能源，作为一种尚未开发的可持续能源，在高效采集方面面临着重大挑战。

　　来自中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所的学者提出了一种用于低速流动能量收集的交变磁场增强摩擦纳米发电机（AMF-TENG），并通过实验结果证明了其可行性。AMF-TENG的最小切入速度为1 m s−1，从而大大扩展了其风能收集范围。当风速为1~5 m s−1时，开路电压（VOC）为20.9~179.3 V。5 m s−1时峰值功率为0.68 mW。在 100 K 循环的耐久性测试中，VOC 从 188.4 V 下降到 174.2 V，但仍保持在初始值的 92.5%。此外，AMF-TENG可以从自然环境中收集低速流动能量，为智能农业中的温度和湿度传感器以及无线光强度传感器提供动力。这项研究为分布式应用中的低速流能量收集提供了一种有前景的方法。相关文章以“Alternating Magnetic Field-Enhanced Triboelectric Nanogenerator for Low-Speed Flow Energy Harvesting”标题发表在Advanced Functional Materials。

　　图1.交变磁场增强摩擦纳米发电机（AMF-TENG）的结构和安培力驱动发电单元的原理。a) 用于低速流能量收集的AMF-TENG结构展示。b) 交变磁场驱动发电机组振动的原理。c) 线圈安培力作用下振动器的四种典型工作状态

　　图 2. 交变磁场增强摩擦纳米发电机 (AMF-TENG) 的工作原理和仿真。a) AMF-TENG 的四个典型位置。b) COMSOL模拟的AMF-TENG空间电场。c) 采用COMSOL模拟磁体基体的空间磁场。d) 线圈平面内的磁场分布。e) 垂直于磁体中心的磁通量的变化。f) 当磁铁在旋转过程中接近线圈时用高速相机拍摄的位置变化的照片

　　图 3. 交变磁场增强摩擦纳米发电机 (AMF-TENG) 结构参数优化。a) 压力测试系统示意图。b) 振动器受力分析。c) AMF-TENG中的静电吸附力测试。d) 转速对振动器电压、电流、压力和振幅的影响。e) 分析磁铁到线圈距离对 AMF-TENG 的影响。f) 磁铁尺寸变化对振动器的影响。

　　图4.发电机组输出性能测试。a) LinMot 构建的发电单元测试平台。b) 发电单元中两个电极的照片。c) 电极材料的影响。d) PTFE 薄膜厚度对输出性能的影响。e) 具有间隔距离的发电机组输出测试。f) 接触频率对发电机组性能的影响。g)不同频率下发电单元电压信号的FFT。h) 频率拟合分析。

　　图 6. 交变磁场增强摩擦纳米发电机 (AMF-TENG) 在智能农业中的自供电传感应用。a）AMF-TENG在农业微风环境中的应用概念。b) AMF-TENG 外接不同负载。c) 本研究与前人工作相比的切入速度。d) AMF-TENG 以 1 m s−1的速度对不同容量的商用电容器充电。e) AMF-TENG 在 316 秒内以 1 m s−1将330 μF 的商用电容器充电至 1.5 V。f) AMF-TENG 以 1 m s−1点亮温度和湿度传感器。g) 基于AMF-TENG的无线光强传感系统。h) 无线光强传感演示

　　总之，本研究提出了一种基于安培力的 AMF-TENG，用于高效的低速流动能量收集和自供电传感。AMF-TENG是一种基于耦合线圈和磁体电磁感应、摩擦起电和静电感应效应的机电能量转换的高效低速风能收集策略，使TENG能够收集低至1 m s−1的风能。在外部磁场的运动下，华体会体育线圈产生感应电流，由于电流的磁效应和外部磁场的作用而产生安培力，安培力驱动垂直接触分离TENG。由于线圈中的电流随着转速的降低而减小，AMF-TENG在低速旋转时受到的阻力也会减小，因此可以实现低速风能（1 m s−1）的收集，即大大拓宽了TENG中的风速范围。在风速为 1 至5 m s−1时，AMF-TENG 的 VOC 为 20.9 至 179.3 V。连续运行10万个循环后，AMF-TENG电压保持在92.5%左右。330 μF 的电容器可以在 1 m s−1的时间内充电至 1.5 V。基于AMF-TENG，设计了智慧农业中的自供电传感应用，实现自然环境中的低速风力采集，为农业温湿度传感器和无线光强传感器供电。这项研究为低空、低速风能采集提供了一种新策略。（文：SSC）