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自然资源给人们提供的能源是有限的，随着能源的不断被消耗，开发和利用新能源是大势所趋。碳中和背景下，可再生能源装置正朝着小型化、低成本和高转换效率的方向升级。目前，大多数能量采集器使用电磁发生器（EMG），这使得它很难直接采集低频能量。近期，中山大学马勇教授与大连海事大学徐敏义教授合作在Wiley旗下期刊Advanced Materials Technologies在线发表，题目为“A High Output Triboelectric–Electromagnetic Hybrid Generator Based on In-phase Parallel Connection”。该工作实现了电磁发电与摩擦发电的优势互补，提出了一种可进行同相位并联的模块化装置，解释了同相位并联电压成倍增加的原因。所设计的装置为小型复合式发电机发展提供了一种新思路。
在该工作中，TENG（摩擦纳米发电机）的定子粘附在EMG（电磁发电机）定子上，并覆盖了一层电介质薄膜，然后在PCB基底上沉积了互补径向铜电极。上部和下部TENG定子的金属电极图案与输出端口对齐，以确保同相位输出。TENG的转子固定在EMG的转子上，上、下定子通过激励外力产生电能。扇形叶片的横截面与金属电极相同，并与9个磁铁一一对应。对应的，EMG定子上金属线圈数也为9个。在设备的有限范围内增加上述数量，可以提高电子传输频率，以增加电流输出，确保TENG和EMG启动和切割磁感应产生相似的电流阶段，这进一步使输出功率有效地传输给消费者或通过能量管理电路存储。这种结构的优点是，TENG和EMG可以在同一相位上并联。通过增加单元的数量，可以使输出最大化。通过将摩擦纳米发电机（TENG）和电磁发电机（EMG）结合起来，两者的输出特性可以有效互补，在广泛的工作频率范围内提供出色的输出。该装置通过将多个TENG与EMG分别并联在同一相位上，可以省去繁琐的整流元件和布线，大大增加装置的能量输出。该项工作系统地研究了IP-HG的输出特性和优势，包括TENG的材料、旋转速度、介电薄膜的组合，以及它们对IP-HG电输出的影响。
图1：IP-HG的结构设计。(a) 设计的复合发电机的示意图，它主要由两部分组成，两个旋转径向电极结构模式的TENG单元和两个EMG单元。(b) IP-HG的材料组成。(c) IP-HG的工作机制示意图。
图2：材料和单元对TENG电输出的影响。(a) IP-HG的实验平台的照片。(b)用不同介质材料制造的TENG的开路电压、短路电流和转移电荷。(c) 单个TENG的Voc，(d) Isc，(e) Qsc。(f) 两组TENG并联的Voc，(g) Isc， (h) Qsc。
图3：电压的实际值和测试值之间的关系。(a)摩擦纳米发电机的等效电路图；(b)同相位并联单元的数量与Vf/Vs之间的关系。
图4：IP-HG的输出性能。(a) 单个TENG和EMG分别整流后并联的等效电路示意图以及直流电流(b)和电压(c)的输出性能。(d) 两组TENG和EMG同相位并联后分别整流再并联的等效电路示意图以及直流电流（e）和电压（f）的输出性能。(g) 两台TENG并联后在不同电阻下整流的功率特性曲线(i)和(ii)对不同电容充电的能力。(h) 两个EMG并联后在不同电阻下整流的功率特性曲线(i)，以及(ii)对不同电容器充电的能力。(i)两套TENG、EMG分别并联后整流后在不同电阻下并联的功率特性曲线(i)和对不同电容器充电的能力(ii)。
图5：IP-HG的演示。(a) IP-HG的效率。通过降压电路的稳定IP-HG电流（b）和电压（c）。(d) 带有电源管理模块（PMM）的IP-HG和(e)保持3个5W的直流灯泡串联的照明。
- 通过使用全波整流电路，在243rpm的转速下，获得了63mA的短路电流、80V的开路电压和610W/m3的瞬时输出功率密度，可以在0.2秒内将470μF的电容器充电到1V，最大输出效率在189rpm时达到36.162%。此外，IP-HG可以在27rpm的转速下为1个商业传感器和3个5W的直流灯泡持续供电。所报告的IP-HG为混合发电机的发展提供了一种高效和可持续的设计方法。 与传统的EMG相比，IP-HG能够产生稳定的电压，即使在很低的旋转速度下也能为商业传感器持续供电。这种新颖的设计完全适用于市面上的传感器的连续运行。而且它简单，成本效益高，易于封装，为混合能量收集装置提供了一个设计思路。中山大学马勇教授为文章的通讯作者，大连海事大学徐敏义教授为共同通讯作者，中山大学博士研究生赵天聪及硕士研究生牛博为文章共同第一作者。
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