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Self-powered siphon rain gauge based on triboelectric nanogenerators

摩擦电效应 雨水收集 能量收集 虹吸(软体动物) 可再生能源 环境科学 能量(信号处理) 工程类 电气工程 材料科学 物理 生态学 量子力学 生物 复合材料
作者
Yili Hu,Ying Hu,Jianping Li,Zekang Wang,Jijie Ma,Tinghai Cheng,Jianming Wen
出处
期刊:Mechanical Systems and Signal Processing [Elsevier BV]
卷期号:201: 110649-110649 被引量:2
标识
DOI:10.1016/j.ymssp.2023.110649
摘要

Rainfall measurement is of great significance to agriculture, weather forecasting and water resource management, while rain energy harvesting is a desirable solution to energy demand of wireless sensor networks of rainfall information. In this work, a novel self-powered siphon rain gauge (SR) integrating with a siphon unit, a sensing unit and an energy harvesting unit is proposed, which can simultaneously measure rainfall information and capture rain energy. In the siphon unit, a siphon structure is used to periodically automatically trigger and stop siphon events. In the sensing unit, a liquid–solid multi-tube triboelectric nanogenerator (TENG) is proposed for the first time to detect rainfall information by a multi-tube synergistic sensing strategy. In the energy harvesting unit, a rotary TENG excited by the siphon emptying event is utilized to generate electricity by a rainwater potential energy collection-based generation strategy. After optimization design, the water level resolution of the multi-tube TENG is around 2.5 times higher than that of traditional single-tube TENG, resulting in a rainfall resolution of 20.45 μm of SR. Besides, the rotary TENG successfully converts random, disordered, high-entropy raindrops energy into regular, ordered, low-entropy fluid mechanical energy. It can finally help the SR achieve a power density of 97.2 µW/m2, which is nearly 2.5 times higher than that of liquid–solid contact TENG using the traditional instantaneous impact-based generation strategy. The proposed self-powered SR not only obtains an excellent real-time rainfall sensing capability, but also has remarkable rain energy harvesting ability. Therefore, this SR has great potential for extensive applications in the hydrology and meteorology fields.

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