在自供能農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)和風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域，摩擦納米發(fā)電機(jī)一直是研究熱點(diǎn)。在當(dāng)今智能技術(shù)時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要推動(dòng)力，傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的關(guān)鍵組件使得農(nóng)業(yè)環(huán)境中的各種參數(shù)能夠被實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)以精準(zhǔn)的控制作物生長(zhǎng)環(huán)境。然而，為廣泛分布的傳感器提供可靠電源是智能農(nóng)業(yè)所面臨的一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的傳感器供電方式通常是由電纜和電池供電，存在成本高、環(huán)境污染和壽命有限等缺點(diǎn)，這最終會(huì)影響電子設(shè)備的效率。因此，開發(fā)一種從自然環(huán)境中收集風(fēng)能、水能的自供電傳感器顯得尤為重要。triboelectric nanogenerator（TENG）是一種新型能量收集裝置，它利用摩擦起電和靜電感應(yīng)的耦合效應(yīng)，能將環(huán)境中不規(guī)則、低頻和分布式的機(jī)械能高效轉(zhuǎn)化為電能。此外，TENG不僅可以作為能量收集裝置，還可以作為自供電傳感器，感測(cè)風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量等信息，輔助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。目前，基于TENG的風(fēng)能收集裝置大多在能量轉(zhuǎn)換效率方面存在缺陷，且缺乏對(duì)風(fēng)向風(fēng)速等參數(shù)的監(jiān)測(cè)。在此背景下，設(shè)計(jì)一種自供電風(fēng)能采集和環(huán)境監(jiān)測(cè)的TENG裝置至關(guān)重要。

 

　　在研究中，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種電磁混合風(fēng)能收集與傳感裝置（THE-WSD）。其包括摩擦電-電磁混合發(fā)電機(jī)（TEHG）、與多通道摩擦電納米發(fā)電機(jī)（MC-TENG）集成的可旋轉(zhuǎn)底座、風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)力渦輪機(jī)葉片和柱。其中，風(fēng)力渦輪機(jī)葉片與TEHG前端的轉(zhuǎn)子軸相連，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。TEHG包含三個(gè)TENG單元和一個(gè)EMG單元，可以進(jìn)一步將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。風(fēng)向標(biāo)安裝在TEHG的后端，以調(diào)整風(fēng)向?？尚D(zhuǎn)基座經(jīng)由柱連接到TEHG并且與風(fēng)向標(biāo)結(jié)合操作以確保TEHG的前端始終朝向風(fēng)向，從而有效捕獲來(lái)自各個(gè)方向的風(fēng)能。

 

　　研究人員在TENG部分通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了FEP膜的寬度、轉(zhuǎn)速、風(fēng)速對(duì)TENG1、TENG2和TENG3輸出性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)隨著FEP薄膜寬度的增加，所輸出的開路電壓和短路電流先增加后減小。隨著轉(zhuǎn)速和風(fēng)速的增加，TENG單元的峰值開路電壓和短路電流逐漸增加，但當(dāng)轉(zhuǎn)速或風(fēng)速過(guò)高時(shí)，輸出會(huì)下降。當(dāng)負(fù)載電阻為80 M Ω時(shí)，TENG單元可獲得5.95mW的最大瞬時(shí)峰值功率。當(dāng)負(fù)載電阻為2000Ω時(shí)，EMG單元可獲得最大瞬時(shí)峰值功率5.65mW。此外，通過(guò)并聯(lián)的方式連接TENG1、TENG2和TENG3可獲得最佳輸出性能。為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)速檢測(cè)，研究人員對(duì)TEHG中TENG 3的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改，從而形成單電極摩擦電納米發(fā)電機(jī)（SE-TENG），通過(guò)檢測(cè)SE-TENG在不同風(fēng)速下一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電信號(hào)數(shù)量，可以建立風(fēng)速與電信號(hào)數(shù)量之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的檢測(cè)。在風(fēng)向檢測(cè)部分，通過(guò)對(duì)MC-TENG中四個(gè)弧形電極所產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行編碼的方法，八個(gè)不同的代碼對(duì)應(yīng)八個(gè)不同的風(fēng)向，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同風(fēng)向的檢測(cè)。所集成的THE-WSD通過(guò)對(duì)風(fēng)能的轉(zhuǎn)換能夠?qū)崿F(xiàn)為溫濕度傳感器等小型電子設(shè)備供電，還能測(cè)量3 - 5m/s范圍內(nèi)的風(fēng)速和風(fēng)向，并通過(guò)對(duì)電路以及程序的設(shè)計(jì)繼承能夠持續(xù)測(cè)量風(fēng)速、風(fēng)向、溫度和濕度等環(huán)境參數(shù)，并將其發(fā)送到智能手機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院彭望副教授為論文第一作者，2021級(jí)碩士研究生倪千秋為學(xué)生第一作者，北京納米所張弛教授、武漢大學(xué)廖凌祎博士為論文共同通訊作者，朱榮榮、付先鵬、朱軒辰為參與作者，工學(xué)院廖慶喜教授為相關(guān)研究提供了技術(shù)指導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)支持，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)為第一完成單位。

 

　　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.

 

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110272