近日，华中农业大学工学院油菜机械化生产技术与装备团队彭望副教授研究成果以“Triboelectric-electromagnetic hybrid wind energy harvesting and multifunctional sensing device for self-powered smart agricultural monitoring”为题在Nano Energy发表。研究创制了一种能源自给与多功能感知的电磁混合风能收集与传感系统，不仅为自供能感知系统的实现提供了解决方案，也为TENG技术在智慧农业领域的应用提供了技术参考。
在自供能农业环境监测和风能发电领域，摩擦纳米发电机一直是研究热点。在当今智能技术时代，物联网技术是智慧农业发展的重要推动力，传感器作为物联网感知层的关键组件使得农业环境中的各种参数能够被实时的监测以精准的控制作物生长环境。然而，为广泛分布的传感器提供可靠电源是智能农业所面临的一个严峻挑战，传统的传感器供电方式通常是由电缆和电池供电，存在成本高、环境污染和寿命有限等缺点，这最终会影响电子设备的效率。因此，开发一种从自然环境中收集风能、水能的自供电传感器显得尤为重要。triboelectric nanogenerator（TENG）是一种新型能量收集装置，它利用摩擦起电和静电感应的耦合效应，能将环境中不规则、低频和分布式的机械能高效转化为电能。此外，TENG不仅可以作为能量收集装置，还可以作为自供电传感器，感测风速、风向、降雨量等信息，辅助农业生产。目前，基于TENG的风能收集装置大多在能量转换效率方面存在缺陷，且缺乏对风向风速等参数的监测。在此背景下，设计一种自供电风能采集和环境监测的TENG装置至关重要。
在研究中，研究团队提出了一种电磁混合风能收集与传感装置（THE-WSD）。其包括摩擦电-电磁混合发电机（TEHG）、与多通道摩擦电纳米发电机（MC-TENG）集成的可旋转底座、风向标、风力涡轮机叶片和柱。其中，风力涡轮机叶片与TEHG前端的转子轴相连，将风能转化为旋转机械能。TEHG包含三个TENG单元和一个EMG单元，可以进一步将机械能转换为电能。风向标安装在TEHG的后端，以调整风向。可旋转基座经由柱连接到TEHG并且与风向标结合操作以确保TEHG的前端始终朝向风向，从而有效捕获来自各个方向的风能。
研究人员在TENG部分通过实验研究了FEP膜的宽度、转速、风速对TENG1、TENG2和TENG3输出性能的影响，研究发现随着FEP薄膜宽度的增加，所输出的开路电压和短路电流先增加后减小。随着转速和风速的增加，TENG单元的峰值开路电压和短路电流逐渐增加，但当转速或风速过高时，输出会下降。当负载电阻为80 M Ω时，TENG单元可获得5.95mW的最大瞬时峰值功率。当负载电阻为2000Ω时，EMG单元可获得最大瞬时峰值功率5.65mW。此外，通过并联的方式连接TENG1、TENG2和TENG3可获得最佳输出性能。为了实现风速检测，研究人员对TEHG中TENG 3的结构进行了修改，从而形成单电极摩擦电纳米发电机（SE-TENG），通过检测SE-TENG在不同风速下一定时间内产生的电信号数量，可以建立风速与电信号数量之间的关系，从而实现风速的检测。在风向检测部分，通过对MC-TENG中四个弧形电极所产生的电信号进行编码的方法，八个不同的代码对应八个不同的风向，实现了对不同风向的检测。所集成的THE-WSD通过对风能的转换能够实现为温湿度传感器等小型电子设备供电，还能测量3 - 5m/s范围内的风速和风向，并通过对电路以及程序的设计继承能够持续测量风速、风向、温度和湿度等环境参数，并将其发送到智能手机进行实时显示。
华中农业大学工学院彭望副教授为论文第一作者，2021级硕士研究生倪千秋为学生第一作者，北京纳米所张弛教授、武汉大学廖凌祎博士为论文共同通讯作者，朱荣荣、付先鹏、朱轩辰为参与作者，工学院廖庆喜教授为相关研究提供了技术指导与实验支持，华中农业大学为第一完成单位。
英文摘要：
The power supply for numerous small electronic sensors, which are extensively used in agricultural settings, is a critical challenge for advancing the Agricultural Internet of Things （IoT） and fostering the development of smart agriculture in the upcoming era of intelligent technology. Hereby, a triboelectric-electromagnetic hybrid wind energy harvesting and sensing device （TEH-WSD） based on triboelectric-electromagnetic hybrid generator （TEHG） and multi-channel triboelectric nanogenerator （MC-TENG） for wind direction and speed sensing is proposed. Among them, the TEHG is used to collect wind energy. The instantaneous peak power of TENG units and EMG unit in TEHG can reach 5.95 mW and 5.65 mW respectively. In addition, the modified TEHG can measure the wind speed within the range of 3~5 m/s, and the output signal of MC-TEHG can be used to measure the wind direction based on the corresponding circuit and designed program continuously. Overall, TEH-WSD is capable of detection for the wind direction, wind speed, temperature and humidity information in the environment and this work provides a solution for wind energy collection and self-powered environmental monitoring in agricultural environment.
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110272
日期：2024-11-12
