研究背景
- 室内空气质量的优劣对人类健康而言至关重要。然而，传统空气净化设备供电和维护要求的复杂性对其实际应用提出了巨大挑战。自TENG问世以来，研究者利用TENG产生的高压电设计了多种方案来净化室内空气，并取得了卓越的效果。而由于TENG的电荷输出较低，使得其在实际中应用受到阻碍。目前为止，通过降低摩擦电荷衰减、改进结构设计、优化材料选择、设计电荷激励电路等策略，旋转式TENG的性能得到了很大的提高。而基于聚酯皮毛增强设计的旋转摩擦纳米发电机(PFR-TENG)具有低摩擦力和高电压输出的优点，在适用于风能收集的同时还有望在实际应用中产生空气负离子来实现空气净化的应用。
文章概述
- 本文报道了一种新型管道内自供电空气负离子（NAI）发生器。自供电NAI发生器提出了一种新型风能摩擦纳米发电机(WE-TENG)用于捕获管道内的风能，并产生高电压输出。该发电机由两个PFR-TENG和叶片组成。WE-TENG产生的高压电由电源管理电路(PMC)调节到稳定的高压直流电并由NAI释放电极产生大量的空气负离子。WE-TENG的启动风速较低，当风速为1.5m/s时即可起动，并能够以50 rpm的速度连续旋转。同时，WE-TENG实现了高效收集风能，风速为5.5m/s时可达到1300 rpm。通过并联WE-TENG的两端，短路电流是WE-TENG单端的二倍，这使得其转速为1300rpm时，短路电流高达150 μA。WE-TENG在使用二倍压整流电路进行电源管理后，在1300 rpm的转速下可以产生9 kV的高压直流电，并驱动21个NAI释放电极来产生NAIs。当上述设备置于管道中时，产生的压降较低，当风速为1.5 m/s时仅为8 Pa，风速提升至5.5 m/s时仅有175 Pa。通过一系列实验，严格探明了自供电NAI发生器的空气净化表现。本工作提出的新型管道内自供NAI发生器为实际应用中实现基于TENG的空气净化系统提供了坚实的基础。相关成果以“A self-powered triboelectric negative ion generator in pipeline”为题发表在期刊Nano Energy上。
图文导读
图1. 自供电NAI发生器原理图及应用场景。(a)自供电NAI发生器在风管中工作的应用场景图。(b)自供电NAI发生器的系统组成。(c)通过接地铜网增强NAIs产生速率的示意图。(d) 21个NAI释放电极在不同转速下的NAIs产生速率。
图2. WE-TENG的结构和工作性能。(a) WE-TENG的截面图，(b)结构示意图，(c)材料示意图。(d)WE-TENG的转速与风速的关系。(e)自供电NAI发生器在不同风速下的压降。(f)在风速为5 m/s时，WE-TENG与以往基于TENG的风能收集装置在转速（拟合）上的对比。
图3. WE-TENG的输出性能。(a) WE-TENG的工作机制。WE-TENG一端的(b)开路电压和(c)短路电流（转速范围为50-1300rpm）。(d)两端并联与一端的短路电流对比
图4. WE-TENG的电源管理电路。(a)4种PMC的电路图，包括(PMC-Ⅰ)全波整流电路，(PMC-Ⅱ)利用TENG固有电容（CTENG）的Villard电路，(PMC-Ⅲ)Villard电路，(PMC-Ⅳ)二倍压整流电路。(b)由WE-TENG提供驱动的4种PMC在转速为700rpm时的输出电压。
图5. 不同参数对自供电NAI发生器性能的影响。(a) (Ⅰ)钨合金、(Ⅱ)针和(Ⅲ)碳纤维电极的照片。(b)电极与铜网之间不同距离(L)时的最大电场强度的模拟结果。(c) L对NAIs产生速率影响的实验结果。使用(d) PMC-Ⅲ和(e) PMC-Ⅳ为三个不同的电极供电，对NAIs产生速率的影响。(f)使用PMC-Ⅲ和PMC-Ⅳ时NAIs产生速率的比较。(g)使用PMC-Ⅳ驱动的单个碳纤维电极进行空气净化。
图6. 使用不同数量碳纤维NAI释放电极的自供电NAI发生器的性能。(a)转速为700rpm时NAIs的生成速率。(b)PMC-Ⅳ在不同负载下的电流和电压。(c)PMC-Ⅳ输出电压与电流的关系。(d)PMC-Ⅳ驱动不同数量的碳纤维电极时，每个电极上的电流和电压。(e)不同数量碳纤维电极的自供电NAI发生器的空气净化性能。
结论
- 传统的通风管道内空气净化设备由于其复杂的供电和维护要求使得其实际应用面临挑战。本研究提出了一种可以应对这些挑战的新型管道内自供电NAI发生器。与以往基于TENG的空气净化解决方案相比，本文的工作可以更好地适应空气管道内部的应用场景。比如，WE-TENG可以在低风速下启动，并在管道内达到高达1300 rpm的转速，而此时的压降仅为175 Pa，保证了对通风管道的影响达到最小。WE-TENG高效的将风能转化为旋转的机械能，与收集振动或往复运动的TENG相比，能够使NAI发生器可以连续产生NAIs。经过PMC之后，WE-TENG的电压可以调整为连续稳定的高压直流电，从而使NAI发生器保持在可以释放大量NAIs的最优电压。自供电NAI发生器可在1秒内产生等效电荷量23 μC的NAIs。本文还对PMC驱动不同数量电极的输出特性进行了量化，为其他类似的基于TENG的高压电应用研究提供了示范。最后验证了自供电NAI发生器释放的NAIs对空气净化的有效性，为基于TENG的自供电空气净化系统的实际应用提供了坚实的基础。
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