导读
- 近年来，在利用流致振动能量的纳米发电机研究领域取得了显著进展。本文对用于流致振动能量采集的纳米发电机技术进行了系统地分类和综述。首先，阐明了压电、摩擦纳米发电和流致振动的基本原理，为后续讨论奠定了基础。接着，文章系统地对压电纳米发电机（PENG）和摩擦电纳米发电机（TENG）在流致振动领域的应用进行分类。这种分类方式归纳了纳米发电机在不同情境下的作用机制，进一步丰富了对其潜力的理解，有利于读者增强对它们的多功能性和工作机制的了解。随后，对PENG和TENG进行了全面比较，以阐明当前的挑战并提出未来发展的建议。值得注意的是，本文强调了这些技术在促进可持续能源解决方案中日益增长的重要性。其全面的分析和系统的分类旨在为研究人员和实践者提供参考，推动该领域进一步的创新发展。
主要内容
- 研究人员发现整合压电效应和摩擦电效应可以有效地将流体引起的振动转化为电能，为微型设备提供了一种新颖且可持续的能源。尽管如此，这一领域仍然面临着诸多挑战，如提升材料性能、提高设备效率、解决实际应用中的可靠性和可扩展性等问题，仍需要进一步的研究和探索。随着纳米发电技术的发展和能源需求的不断增长，压电和摩擦电纳米发电机技术有望在未来可持续能源领域发挥更重要的作用。本文首先全面综述了在压电和摩擦电纳米发电机技术中利用流致振动现象的最新进展。根据不同的结构配置系统地对这些发展进行了分类（见图1）。
图1. 流致振动能量采集的纳米发电机总览图
- 如图2所示，流致振动的常见形式主要可以分为四种类型：涡激振动（VIV）、舞动（Galloping）、颤振（Flutter）和尾流诱导振动（WIV）。当流体绕过钝体时，会在其尾流中形成交替的涡旋，进而引起物体的周期性横向振动，这种现象就是涡激振动。舞动发生在流体在结构迎风面的分离点随振动移动时，产生不对称的空气动力，引起横向振动。其振动频率通常低于VIV，振幅较大。在能量收集领域，特别设计的舞动装置可以在低风速下运行，提供稳定的能量输出。颤振是一种自激振动现象，当流体流动导致固体表面上的压力分布发生变化时，引起结构发生扭转和弯曲振动。在能量收集中，使用的两种主要颤振形式是（i）流动下的柔性薄膜颤振，以及（ii）流体诱导的翼型颤振。在流动能量转换系统中，利用颤振结构可以提高能量捕获的效率。尾流诱导振动发生在上游物体的尾流会影响到下游物体，尤其是当两者沿流动方向前后排列时，上游物体脱落的涡旋更易诱发下游物体的振动。
图2. 流致振动的四种经典形式 (a) 涡流诱导的振动(VIV) (b) 舞动(Galloping) (c) 颤振(flutter) (d) 尾流诱导的振动(WIV)
- 能量收集技术的快速发展已经激发众多研究者对微能源供应解决方案的兴趣，其中，利用流体诱导振动作为机械能源的PENG逐渐展现出巨大潜力。这一领域的研究重点在于通过捕获流体流动产生的振动来驱动压电材料的形变，从而将机械能转换为电能。所以，文章的第三部分重点讨论了PENG如何利用流体诱导振动实现能量收集，特别强调各种机制，如涡激振动、舞动、颤振和尾流诱导振动（图3）。
图3. 利用流致振动的压电纳米发电机（PENG）示意图
- 随着微能量收集技术的进步，TENG也已成为一种新颖的能量收集方法。这些设备利用流体诱导振动产生机械能，随后驱动摩擦电效应将机械能转换为电能。文章的第四部分主要集中在TENG如何利用流体诱导振动进行能量收集。特别是将强调不同的机制，如涡激振动、舞动、颤振和尾流诱导振动（图4）。
图4. 利用流致振动的摩擦纳米发电机（TENG）示意图
- PENG和TENG这两种技术旨在将机械能转换为电能，以满足不断增长的能源需求，并提供可持续能源解决方案。尽管二者的用途一致，但PENG和TENG在原理、应用、优点和缺点上展现出显著的差异。在文章的第五部分，通过图5比较这两种方法的相似之处和不同之处，以帮助研究人员基于它们的特点作出多样化的选择，以满足不同的能量收集和传感需求。
图5. PENG 和 TENG 的比较
- 为了充分发挥纳米发电机技术进行能量采集的潜力，仍需解决一些存在的问题。目前，关键挑战在于这些纳米发电机所用材料的稳定性和耐久性、与流动的耦合以及对环境的影响等（如图6所示）。这些设备在恶劣和动态的运行环境中，材料会随时间降解，从而影响它们的长期性能。开发能够承受这些条件并在长时间内保持性能的材料是推进这一领域的关键方面。另一个潜在挑战在于需要对后续研究中的性能参数进行标准化和规范化，当前大量研究文章中的纳米发电机采用不同的指标来量化其效率和能量转换能力，使得难以对不同工作进行有效对比。
图6. 挑战和未来前景
总结
本文从PENG和TENG的理论基础开始，扩展到不同类型的纳米发电机在流致振动能量采集中的应用。在流体诱导振动现象中，介绍了包括涡激振动、舞动、颤振和尾流诱导振动在内的四种典型流致振动机制，综述了PENG和TENG的能量转换效率和应用范围。最后，介绍了纳米发电机在利用流体诱导振动方面仍面临挑战，并提出了相应的解决方案。例如，材料的稳定性和可持续性便是值得关注的问题，纳米发电机的长期稳定性对其实际可行性至关重要。为了克服这些挑战，跨学科合作是必不可少的。整合材料科学、流体动力学和电子工程等领域的专业知识可以帮助解决当前问题。重要的是，与行业的紧密合作将促进这些纳米发电机在实际工程中的创新应用，推动它们的商业化。最后，作者也呼吁推进相关研究工作性能参数的规范化，因为不同类型的发电机常常使用不同的性能参数来衡量它们的效率，这限制了研究工作互相之间的直接比较。展望未来，随着材料科学和纳米技术的持续进步，利用流体诱导振动的纳米发电机将在能量收集和可持续发展中发挥更加重要的作用。
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