2021年8月25日，重庆大学物理学院纳米发电机团队奚伊教授课题组与中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士合作，在Wiley出版的《Advanced Functional Materials》上发表了题目为“基于流体力学建模和摩擦纳米发电机的多方向微风能量收集与自供电智能火灾探测系统”（Harvesting Multidirectional Breeze Energy and Self-powered Intelligent Fire Detection Systems Based on Triboelectric Nanogenerator and Fluid-dynamic modeling）的研究论文。该论文以重庆大学为第一署名单位，重庆大学研究生张雪梅、胡婕为共同第一作者，奚伊教授和王中林院士为共同通讯作者。
火灾事故是威胁公众生命财产安全和环境保护的重大灾害之一。然而在发生火灾时，大部分救援电子设备因供电问题而停止工作。摩擦纳米发电机（TENG）作为一种机械能收集装置，可用于从环境中捕获风能，以解决火灾中的能源供应和传感问题。然而，以往基于气动弹性体的TENG，依靠风和弹性体之间的相互作用连续运行，特别在复杂多变的环境中，器件受到持续的复杂应力不仅容易产生疲劳损坏，而且其性能也受到极大的影响。地球表面风具有方向随机性和低速流动等特性，同时在流体、固体的耦合作用下的风能收集TENG，其动态的机电转换机理以及复杂条件下高性能的器件仍需进一步研究；因此，以流体力学为理论基础，结合流、固体相互的作用原理，构建出适应风特性的稳定风能转换及自驱动器件是必要的。
为此，该论文以流体力学理论和TENG的接触-分离模式为基础，提出了动态过程中TENG的机械能转换成电能动力学模型（wind-impact object model）。基于该动力学模型，从理论和实验两方面深入探讨了外部驱动风速、风力和器件结构参数对TENG输出性能的影响。以该动力学模型为理论依据，对实验器件的结构参数进行了优化，获得了性能优异的TENG；该器件不仅有效地将随机方向的低速风能（1.8-4.3 m/s）转化为电能，而且可作为可视化的自供电风向和风速传感器，以期构建出减少火灾发生和降低火灾危害的自供电火灾监测平台和自供电环境监测器件。这项工作不仅为深入探讨TENG的动态流、固体耦合的机电转换机理提供方向，而且为解决火灾中电力短缺所引起的问题和优化现有风力发电技术提供切实可行的方案。
该研究得到了国家自然科学基金、重庆市国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等基金的支持。
论文链接： https://doi.org/10.1002/adfm.202106527
图示： TENG 的应用及工作原理。（a） TENG 在自供电智能监测系统中的应用。 （b）单个可旋转部件在4.3 m/s风速下的模拟速度云图。（c）TENG工作原理和实物照片。（d）功率密度和启动风速与其他基于流致振动工作的对比。
