背景介绍
将环境能量转化为电能已被证明是为微机电系统供电的一种有效方法，由于风能是一种应用潜力巨大的清洁能源，因此它是自驱动系统的理想能源之一。电磁发电机已被广泛用于将风能转化为电能，然而传统的叶片式风力发电机主要是为大型电网供电而设计的，结构复杂成本较高，不适用于小型移动电子设备、分布式传感器和传感系统。因此，亟需研究一种适用于为分布式传感节点供能的风能收集装置。
研究方法
本研究实验在长1.0米，宽0.25米，高0.25米的风洞中进行。采用烟线法与高速相机相结合的实验方法，实现了发电机周围流场的可视化并展示了发电机自身的运动规律。通过流场和发电性能协同测试手段，分析了流场变化对发电机发电性能的影响规律。
研究方法
大连海事大学轮机工程学院、大连市海洋微纳能源与自驱动系统重点实验室徐敏义教授团队与新加坡国立大学Chengkuo Lee副教授、西澳大学Tongming Zhou教授合作提出了一种利用涡激振动现象风能收集摩擦纳米发电机（VIV-TENG）。涡激振动摩擦纳米发电机由风向标、外部框架、弹簧、方柱和转盘组成，方柱内部包含一个发电单元，内部发电单元由两个铜电极、聚四氟乙烯球和一个蜂窝状框架制成。当风吹过方柱时，会在方柱后部的尾流中形成很多具有周期性的脱落涡。当脱落涡频率接近方柱系统的固有频率时，会发生共振，且频率被锁定，脱落涡频率和振动频率将不再随流速变化。此时方柱内部发电单元中的介电小球也会被带动着在发电单元中上下跳动与电极产生接触分离，并通过外电路产生电荷转移。文章系统性的分析了高质量比涡激振动系统的振动特性和发电特性，研究发现质量比为308.57的涡激振动摩擦纳米发电机在频率比达到0.96时发生共振，共振的约化速度区间为7.02-58.05，对应风速为1.5-12.4m/s，在最大振幅区间内的平均输出电压为107V，功率为1.68mW，对应功率密度为62.2 W⁄m3 。
图文导读
图一：VIV-TENG的结构设计与工作机理(a):(i)VIV-TENG的应用场景，(ii)VIV-TENG的详细结构，(iii)风洞实验示意图。(b)VIV-TENG的涡激振动现象。(c)工作原理。
图二：涡激振动的特性
(a)非共振状态下的脱落涡。(b)共振状态下的脱落涡。(c,d,e)风速与振幅比，振动加速度，振动频率之间的关系。
图三：聚四氟乙烯小球数量和电极间距对VIV-TENG发电性能的影响
(a)发电单元与内部蜂窝状结构示意图。(b)小球数量与开路电压的关系。(c)小球数量与短路电流的关系。(d)小球数量与转移电荷量的关系。(e)不同小球数量对输出功率的影响。(f)不同电极间距对输出电压的影响。
图四：风速与相对湿度对发电性能的影响
(a)风洞测试实验台。(b)不同相对湿度下的电压输出。(c,d,e)不同风速下对VIV-TENG的开路电压，短路电流，转移电荷量的影响。
图五：VIV-TENG的应用展示
(a)VIV-TENG的实物图。(b)风向指示电路图。(c)不同方位对应的电信号。(d)LED点灯实验。(e)温度传感器供电实验。
作者简介
论文的第一作者为大连海事大学轮机工程学院博士生王岩，共同第一作者为大连海事大学轮机工程学院硕士生陈天予和孙硕文，共同通讯作者为大连海事大学轮机工程学院徐敏义教授、新加坡国立大学Chengkuo Lee副教授和西澳大学Tongming Zhou教授。
徐敏义，大连海事大学轮机工程学院教授，大连市海洋微纳能源与自驱动系统重点实验室主任。入选大连市杰出青年、中国科协“青年人才托举工程”。研究方向主要为海洋微纳能源与自驱动系统。发表SCI论文60余篇，影响因子大于10的论文近30篇，成果被国家自然科学基金委、中国科学报、ScienceDaily等报道。
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