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Harvesting Broadband Kinetic Impact Energy from Mechanical Triggering/Vibration and Water Waves

摩擦电效应 纳米发生器 能量收集 材料科学 机械能 振动 动能 电压 光电子学 能量转换效率 声学 能量(信号处理) 能量转换 压电 电气工程 复合材料 功率(物理) 物理 工程类 量子力学 热力学
作者
Xiaonan Wen,Weiqing Yang,Qingshen Jing,Zhong Lin Wang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:8 (7): 7405-7412 被引量:202
标识
DOI:10.1021/nn502618f
摘要

We invented a triboelectric nanogenerator (TENG) that is based on a wavy-structured Cu–Kapton–Cu film sandwiched between two flat nanostructured PTFE films for harvesting energy due to mechanical vibration/impacting/compressing using the triboelectrification effect. This structure design allows the TENG to be self-restorable after impact without the use of extra springs and converts direct impact into lateral sliding, which is proved to be a much more efficient friction mode for energy harvesting. The working mechanism has been elaborated using the capacitor model and finite-element simulation. Vibrational energy from 5 to 500 Hz has been harvested, and the generator's resonance frequency was determined to be ∼100 Hz at a broad full width at half-maximum of over 100 Hz, producing an open-circuit voltage of up to 72 V, a short-circuit current of up to 32 μA, and a peak power density of 0.4 W/m2. Most importantly, the wavy structure of the TENG can be easily packaged for harvesting the impact energy from water waves, clearly establishing the principle for ocean wave energy harvesting. Considering the advantages of TENGs, such as cost-effectiveness, light weight, and easy scalability, this approach might open the possibility for obtaining green and sustainable energy from the ocean using nanostructured materials. Lastly, different ways of agitating water were studied to trigger the packaged TENG. By analyzing the output signals and their corresponding fast Fourier transform spectra, three ways of agitation were evidently distinguished from each other, demonstrating the potential of the TENG for hydrological analysis.
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