南湖新聞網訊（通訊員 彭望）近日，我校yl7703永利油菜機械化生産技術與裝備團隊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”為題在Nano Energy發表。研究創制了一種能源自給與多功能感知的電磁混合風能收集與傳感系統，不僅為自供能感知系統的實現提供了解決方案，也為TENG技術在智慧農業領域的應用提供了技術參考。
在自供能農業環境監測和風能發電領域，摩擦納米發電機一直是研究熱點。在當今智能技術時代，物聯網技術是智慧農業發展的重要推動力，傳感器作為物聯網感知層的關鍵組件使得農業環境中的各種參數能夠被實時的監測以精準的控制作物生長環境。然而，為廣泛分布的傳感器提供可靠電源是智能農業所面臨的一個嚴峻挑戰，傳統的傳感器供電方式通常是由電纜和電池供電，存在成本高、環境污染和壽命有限等缺點，這最終會影響電子設備的效率。因此，開發一種從自然環境中收集風能、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的耦合效應，能将環境中不規則、低頻和分布式的機械能高效轉化為電能。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，感測風速、風向、降雨量等信息，輔助農業生産。目前，基于TENG的風能收集裝置大多在能量轉換效率方面存在缺陷，且缺乏對風向風速等參數的監測。在此背景下，設計一種自供電風能采集和環境監測的TENG裝置至關重要。
在研究中，研究團隊提出了一種電磁混合風能收集與傳感裝置（THE-WSD）。其包括摩擦電-電磁混合發電機（TEHG）、與多通道摩擦電納米發電機（MC-TENG）集成的可旋轉底座、風向标、風力渦輪機葉片和柱。其中，風力渦輪機葉片與TEHG前端的轉子軸相連，将風能轉化為旋轉機械能。TEHG包含三個TENG單元和一個EMG單元，可以進一步将機械能轉換為電能。風向标安裝在TEHG的後端，以調整風向。可旋轉基座經由柱連接到TEHG并且與風向标結合操作以确保TEHG的前端始終朝向風向，從而有效捕獲來自各個方向的風能。
研究人員在TENG部分通過實驗研究了FEP膜的寬度、轉速、風速對TENG1、TENG2和TENG3輸出性能的影響，研究發現随着FEP薄膜寬度的增加，所輸出的開路電壓和短路電流先增加後減小。随着轉速和風速的增加，TENG單元的峰值開路電壓和短路電流逐漸增加，但當轉速或風速過高時，輸出會下降。當負載電阻為80 M Ω時，TENG單元可獲得5.95mW的最大瞬時峰值功率。當負載電阻為2000Ω時，EMG單元可獲得最大瞬時峰值功率5.65mW。此外，通過并聯的方式連接TENG1、TENG2和TENG3可獲得最佳輸出性能。為了實現風速檢測，研究人員對TEHG中TENG 3的結構進行了修改，從而形成單電極摩擦電納米發電機（SE-TENG），通過檢測SE-TENG在不同風速下一定時間内産生的電信号數量，可以建立風速與電信号數量之間的關系，從而實現風速的檢測。在風向檢測部分，通過對MC-TENG中四個弧形電極所産生的電信号進行編碼的方法，八個不同的代碼對應八個不同的風向，實現了對不同風向的檢測。所集成的THE-WSD通過對風能的轉換能夠實現為溫濕度傳感器等小型電子設備供電，還能測量3 - 5m/s範圍内的風速和風向，并通過對電路以及程序的設計繼承能夠持續測量風速、風向、溫度和濕度等環境參數，并将其發送到智能手機進行實時顯示。
我校yl7703永利彭望副教授為論文第一作者，2021級碩士研究生倪千秋為學生第一作者，北京納米所張弛教授、武漢大學廖淩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，yl7703永利廖慶喜教授為相關研究提供了技術指導與實驗支持，永利為第一完成單位。
審核人：廖慶喜
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.
論文鍊接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110272
來源：南湖新聞網http://news.hzau.edu.cn/info/1010/18096.htm
