随着社会的迅速发展和城市设施的逐渐完善，桥梁作为重要的交通枢纽，其数量与日俱增，与此同时，桥梁的服役年限和桥梁负载也逐渐增加，其安全性和可靠性面临严峻挑战，这些问题导致桥梁安全事故频发。随着物联网逐渐走入人们视野，人们也在桥梁上安装应用监测传感器，构成桥梁环境监测系统，用于实时监测桥梁环境，对其健康情况做出评估，并根据评估结果采取相应的维护措施，基于数据分析对重大事故进行预警[1-3]。基于物联网的桥梁监测系统中的传感器多使用化学电池进行供电，化学电池的使用寿命短，需要定期更换，浪费人力物力，更换时间段内传感器无法正常工作，造成监测系统间断性瘫痪，影响其对桥梁环境的实时监测，且回收后的电池也难以处理，甚至存在电池电解液泄漏造成环境污染等问题[4-6]。为改善电池供电方案的不足，也为响应国家开发清洁能源的号召，人们逐渐将目光投向了风力发电机，而现有的风力发电机具有体积大、占地面积大、安装复杂、不易检修等特点，且需要极大风力才可驱动[7-9],故常见的风力发电机与桥梁监测系统适配性较低。

摩擦纳米发电机(TENG)的工作原理基于摩擦起电和静电感应的耦合，相比于其他发电方式，其具有结构简单、质量轻、成本低、选材多样等特点[10-11]。基于其诸多优势，TENG为收集环境能源提供了可行性策略，逐渐成为一种收集风能并转换为电能的新型发电机，并开始投入于自供能传感系统[12-14]。在相同的机械激励下，TENG和电磁发电机(EMG)展示出不同的输出特性，TENG表现出更高的输出电压，而EMG表现出更高的输出电流。二者结合，优势互补可有效提高电能输出和能量转换效率。现已有多种采集风能的混合式摩擦电-电磁纳米发电机被提出并用作自供能系统的电源。Y.M.Zhong等人[15]于2021年提出了一种多缸混合电磁-摩擦电纳米发电机，该发电机可收集风能和水流能量，并为温度传感器供电，同时可以应用于自供能无线管道泄漏监测系统。B.S.Zhang等人[16]于2023年提出了一种用于低速流动能量收集的交变磁场增强摩擦电纳米发电机(AMF-TENG),并通过实验验证了其可行性，即可以从自然环境中收集低速流动能量，为智能农业中使用的温湿度传感器和无线光强传感器供电。E.R.Su等人[17]于同年提出了一种基于摩擦纳米发电机和电磁发电机的防眩板阵列，其不仅可以在夜间遮挡对面车辆的刺眼灯光，还可以适当地从高速公路移动车辆中捕获风能，为物联网设备和环境传感器供电，其中包括无线报警和射频识别车辆监控。尽管这些纳米发电机具有很好的输出，但在其结构方面依旧有可以改进的地方，外置的风杯和风叶结构的集成可以最大化收集风能，改进该结构可有效拓展混合式摩擦电-电磁纳米发电机在采集风能领域的发展。

本文提出了一种基于独立层式TENG和三相EMG的混合式摩擦电-电磁纳米发电机(TE-EMNG),将其布置于桥梁上，可以通过其内置风叶和外置风杯的结构捕获风能。得益于内置风叶和外置风杯组件的一体化设计，使TE-EMNG结构更加紧凑，风能利用率更高。通过有限元数值仿真软件仿真证实两个发电单元都具有良好的性能输出。探究了TE-EMNG转子在不同转速下的输出性能，讨论了两个发电单元在8 r/min转速下的匹配阻抗和最大输出功率，利用充电容实验对比优化了两个发电单元的连接方式，最后为蓝牙加速度计供电，证明其作为电源为桥梁自供能监测系统供能的可行性。

1、实验过程

1.1 摩擦材料选取

TENG的原理为摩擦起电和静电感应，所以几乎所有材料都具有制备为TENG的潜力，但材料得失电子的能力取决于其极性，极性不同，材料得失电子的能力也有差异。对于常见材料，越容易失去电子，则越显电正性，越容易得到电子，则越显电负性，所以使用两种得失电子的能力差异大的材料作为摩擦对，TENG的输出在理论上会有所提高。在本文中，选择了聚碳酸酯绒毛和聚四氟乙烯(PTFE)作为摩擦对，铜膜作为导电层。当聚碳酸酯绒毛和PTFE接触时，由于其得失电子的能力，聚碳酸酯绒毛上的电子将转移到PTFE表面，此时聚碳酸酯绒毛失电子，显正性，PTFE得电子，显负性，栅状铜电极间电子流动，以平衡电势。默认摩擦电荷在摩擦层表面不会凭空消失和转移，所以在两种膜相对运动时形成交变电场。

1.2 TE-EMNG结构

TE-EMNG的结构包括以下部分：定子、转子、进风口盖子及风杯，如图1所示。其结构骨架皆通过3D打印机制作，材料为光敏树脂。定子的骨架由三个同心圆筒组成，其内径分别为8、60和184 mm, 厚度分别为9、1和11 mm, 高度分别为17、71和92 mm, 同心圆筒依靠六个棱条连接，定子的最外圆筒上等间距地分布24个线圈槽，起定位作用的同时，保护线圈免受损坏。转子的骨架也由三个同心圆筒组成，其内径分别为16、146和166 mm, 厚度分别为5、2和7 mm, 高度分别为76、80和71 mm, 转子的最外圆筒上同样等间距地分布16个永磁体槽，用以精准固定永磁体位置并保护永磁体，同心圆筒依靠五片风叶和六个棱条相连接，风叶叶片长为60 mm, 高度为67 mm, 桨距角为0°,转子实度为0.5,即单个风叶投影的角度为36°。进风口盖子的长细比为3.55,内径为146 mm, 外径为206 mm, 宽度为30 mm, 高度为20 mm。风杯由三个空心半球组成，一个空心半球直径为5 cm。

图1 TE-EMNG结构图

TE-EMNG在功能方面由独立层式TENG和三相EMG组成。TENG由栅状铜电极、PTFE和聚碳酸酯绒毛组成，其中栅状铜电极和PTFE依次贴附于定子中间圆筒内壁上，四片聚碳酸酯绒毛的软膜嵌于转子中间圆筒的外壁。栅状铜电极由铜、丙烯酸热熔胶(AD胶)和聚酰亚胺(PI)补强板三部分组成。补强板主要用来提高柔性电路板的柔韧度，铜厚35 μm。PTFE的介电常数为2.1,其容易得电子，呈电负性，极化电场强，且PTFE具有较低的摩擦系数和优良的耐磨性，是TENG负摩擦材料的优良选择。而聚碳酸酯绒毛容易失电子，呈电正性，是TENG正摩擦材料的优良选择。EMG由线圈和永磁体组成，24个线圈内嵌于定子最外层圆筒内，顺时针放置，间隔分为三组，三组线圈并联，同组线圈串联；16个永磁体内嵌于转子最外层圆筒上，N、S极交替排布，并用热熔胶进行封装。线圈的内、外径分别为2和20 mm, 厚度和线径分别为4和0.1 mm, 永磁体直径和厚度分别为15和3.5 mm。TE-EMNG组装后实物图如图2所示。

图2 TE-EMNG实物图

1.3 TE-EMNG工作原理

TENG的工作模式有四种，分别为接触分离模式、水平滑动模式、单电极模式和独立层模式。TE-EMNG中的TENG单元为独立层模式，其工作原理如图3所示，图中I为流过外电路负载的电流。由于PTFE和聚碳酸酯绒毛在摩擦电序列中的位置不同，PTFE和聚碳酸酯绒毛的电子得失能力不同。如图3(a)所示，当聚碳酸酯绒毛正对电极Ⅰ时(过程1),由于接触摩擦起电效应，负电荷从聚碳酸酯绒毛转移到PTFE上，电荷转移后的聚碳酸酯绒毛和PTFE上分别分布着相等的正负电荷。聚碳酸酯绒毛所带有的正电荷以及PTFE上的负电荷不会凭空转移或消失，为静电平衡，栅状铜电极中的电子流动。此时电极Ⅰ上具有最大负电势，电极Ⅱ上具有最大正电势，电极间形成了最大负电势差，即开路电压。如图3(b)所示，当聚碳酸酯绒毛同时覆盖电极Ⅰ和Ⅱ时(过程2),聚碳酸酯绒毛在转子的驱动下旋转，由于静电感应，正电荷随聚碳酸酯绒毛移动。当聚碳酸酯绒毛正对电极Ⅱ时(过程3),电极Ⅰ和电极Ⅱ上的电势呈相反趋势变化，即电极Ⅰ电势升高，电极Ⅱ的电势降低，所以电势差逐渐从最小值增大至零，再从零增大到最大正电势值(图3(c))。如图3(d)所示，聚碳酸酯绒毛摩擦层继续旋转，重新同时覆盖电极Ⅰ和电极Ⅱ时(过程4),电极Ⅰ上的电势逐渐减小到零，电极Ⅱ上的电势逐渐从最小值开始下降至零。当连接两对电极时，电势差驱动电子在外电路流动，以保证两电极间的静电平衡，从而产生交变电流。

图3 TENG工作原理

利用仿真软件对静电场进行了电势仿真模拟。如图4所示，在仿真中设定材料分别为聚碳酸酯绒毛、PTFE和铜，其中表面电荷密度约为1.63×10-7C/m2,真空介电常数为8.854×10-12F/m, 其中聚碳酸酯绒毛带有饱和正电荷，且在短时间内不会消失转移，此时模拟的电势差可达600 V。

图4 TENG在4个过程的电势仿真

EMG具有24个线圈，以其中六个线圈为例，展示线圈之间的连接方法，其余线圈连接规律相同。设定永磁体极性交错布置如图5所示，线圈交替分为三个绕组。三个绕组组内串联，组间并联，当永磁体保持旋转时，线圈可以产生连续的交流电。

图5 三相EMG三绕组连接示意图

三相EMG基于法拉第电磁感应，利用COMSOL软件仿真得出的磁感线分布及其密度如图6所示。当三相EMG工作时，极性交错的永磁体旋转，产生交变磁场。基于楞次定律，感应电流的磁场始终抵抗磁通量的变化。当永磁体靠近线圈时，即永磁体在绕组1的右侧，线圈内部产生感应电流来抵抗磁通量的增加。当永磁体正对线圈时，即永磁体与绕组1对齐，线圈无感应电流。当永磁体远离线圈时，即永磁体在绕组1的左侧，线圈内部产生相反方向的感应电流来抵抗磁通量的减少，永磁体接近线圈时同理。

图6 EMG工作原理

为验证该结构三相交流电的输出，对三个绕组进行同时实时采集输出电压，如图7所示，三绕组的输出电压呈120°相位差。选取任意一周期内12个时间点(A～L)进行详细分析，其输出电压对应表1。

图7 三相EMG三绕组间相位差

表1三个绕组在同一周期不同时间点的输出电压

在时间点A时，绕组1的输出等于绕组3,为正值，此时绕组2输出为负最大值；在时间点B时，绕组1输出为0,绕组 2输出为负，绕组3输出为正；在时间点C时，绕组1的输出等于绕组2,为负值，绕组3输出为正最大值；其余各点详见表1。其中时间点G、H、I分别对应图6(a)、(b)和(c)线圈永磁体位置时的输出，永磁体从时间点G到时间点H再到时间点I运动时，绕组1输出从负值向0减小，再从0增大到正值；绕组2输出从正最大值一直减小，但依旧为正值；绕组3输出为负值，一直增大至负最大值。

2、实验结果与分析

为探究TE-EMNG输出能力，首先研究了TE-EMNG各发电单元与转速之间的关系；其次对TE-EMNG的输出功率进行了测定，同时进行了充电容实验，讨论了其最优连接方式；最后进行了发电性能的验证性实验，证明其作为自供能监测系统电源的可行性。

2.1 不同转速下的输出性能

为研究转速与TENG单元的输出关系，探讨了其转速与开路电压、短路电流、转移电荷的关系，如图8所示。如图8(a)所示，当转速从8 r/min增加到64 r/min时，TENG的开路电压基本不变，保持在1 kV左右，说明TENG的开路电压不随转速增加而改变，实验过程中使用了性能更优异的摩擦材料，而仿真中设置材料的相关参数为常用数值，所以实验结果的开路电压大于仿真结果。如图8(b)所示，当转速分别为8、16、32和64 r/min时，TENG的短路电流分别达到65.7、135.5、297.4和625 μA,说明随着转速增加，TENG的短路电流呈线性增加。如图8(c)所示，随着转速增加，TENG的转移电荷在0.22 μC左右保持不变。由于TENG单元的短路电流取决于单位时间内的电荷转移量，而在恒定位移下，转速不影响转移电荷，因此转速越高，电荷转移速率越快，短路电流越大。

图8 转速与TENG开路电压、短路电流、转移电荷的关系

EMG单元转速与开路电压和短路电流的关系分别如图9(a)和(b)所示，当旋转速度为8、16、32和64 r/min时，EMG仅一相单路的开路电压分别为3.19、6.76、13.49和25.29 V,短路电流分别为1.276、2.763、5.423和9.985 mA。如图9(c)所示，随着转速增加，EMG的转移电荷在32 μC左右保持不变。基于法拉第感应定律，EMG的开路电压和短路电流随转速线性增加。

图9 转速与EMG开路电压、短路电流、转移电荷的关系

2.2 功率测定与应用

研究了在8 r/min转速下，TENG和EMG的最佳负载电阻和峰值输出功率。如图10(a)所示，TENG单元的负载电压随着负载电阻的增大而增大，从接近零到最大值。经计算，在最佳负载电阻300 MΩ时，TENG的最大峰值功率达到0.34 mW。如图10(b)所示，EMG单元的负载电压的变化趋势与TENG单元相同，即随负载电阻的增大而增大，由计算可知，在最佳负载电阻1 kΩ时，EMG的最大峰值功率达到6 mW,同时可以得到EMG单元的内阻比TENG的内阻小。

图10 8 r/min转速下TENG和EMG的最佳负载电阻和峰值输出功率

在不同的负载电阻下，TENG输出电流随着负载电阻的增加而减小，而输出电压则增加。当负载电阻较小时，电压-电流曲线相对平滑，TENG可以等同于一个大输出阻抗的电流源(IS)。对于EMG来说，在不同的负载电阻下，输出电流随着负载电阻的增加而减少，而输出电压增加。当负载电阻很大时，电压和电流将达到饱和状态。因此，当负载电阻明显大于EMG的内部电阻时，EMG可以等同于一个电压源(US)。图11(a)和(b)分别是将TENG和EMG串联和并联的等效电路图。图中，RL为负载电阻，UL为负载电阻两端的负载电压，IL为流过负载电阻的负载电流。

图11 TENG和EMG并联和串联示意图以及TENG和EMG串、并联输出对比

为了探究TE-EMNG的最佳输出，采用充电容实验讨论TENG和EMG的最佳连接。转速为8 r/min时，如图11(c)所示，3.3 μF电容被单个EMG立即充电到6 V,但电压几乎没有增加。单个TENG在40 s内将电容器从0稳定地逐渐充电到14.5 V。在连接TENG和EMG后，电容器的电压立即被充电到6 V,然后随着时间的推移持续稳定地增加。当TENG和EMG串、并联时，电容充电电压在40 s内分别达到18.5和19.8 V,说明并联比串联略好。

自供能监测系统原理图如图12所示。TENG单元和EMG单元耦合而成的TE-EMNG收集风能，输出周期性交流电。交流电进入电源管理单元，电源管理单元包括整流滤波单元、电容充电单元、过压保护单元和稳压单元，其集成了TENG单元和EMG单元的交流电，输出稳定直流电为传感单元和微控制器单元(MCU)供电。微控制器单元控制无线发射单元将信号发送给无线信号接收单元，最终实现系统的自供能实时监测。

图12 自供能监测系统原理图

将TE-EMNG置于风速为0.95 m/s的稳定风环境下，利用充电容实验计算其风能利用效率。TE-EMNG在270 s内将1 F电容从0 V充电到1.208 V,通过计算得到风能利用效率为30%。为进一步验证其充电能力，采用TE-EMNG收集环境中的风能，并转换成电能，为小型用电器供电。如图13所示，本实验展示了TE-EMNG为蓝牙加速度计供电，实时监测桥梁震动，并获取加速度信息。蓝牙加速度计中的MCU可将信号传输到无线接收器，并在手机端实时显示，实现无线监测。

图13 TE-EMNG为蓝牙加速度计供电照片

3、结 论

为实现桥梁的自供能监测系统，本文研制了一种风叶内置、风杯外置的混合式摩擦电-电磁纳米发电机，附在转子上的永磁体和聚碳酸酯绒毛在风力的驱动下旋转，使附在定子上的线圈、PTFE和栅状铜电极输出交流电。经对比得出TENG单元和三相EMG单元并联具有更好输出，且TENG和三相EMG单元在最佳负载电阻分别为300 MΩ和1 kΩ时，其最大峰值功率分别达到0.34和6 mW,两单元并联时，3.3 μF电容充电电压在40 s内达到19.8 V。演示实验表明，所展示的TE-EMNG结构紧凑，易于维护，能量供应充足，具有作为自供能无线监控系统和移动电源的潜力，并为风能采集和自供能无线监测系统提供了一种可行的策略。

参考文献:

[2]马广,黄方林,王学敏.基于混合遗传算法的桥梁监测传感器优化布置 [J].振动工程学报,2008,21(2):191-196.

[3]高博,柏智会,宋宇博.基于自适应引力算法的桥梁监测传感器优化布置 [J].振动与冲击,2021,40(6):86-92,189.

[7]戴靠山,赵志,孟家瑶.风电塔在地震和风荷载下的失效概率评估 [J].工程科学与技术,2021,53(2):38-44.

文章来源:许子彦,温作相,高浚桓.基于混合式摩擦电-电磁纳米发电机的桥梁自供能监测系统[J].微纳电子技术,2024,61(10):122-130.