图 1 双模式TENG的结构和工作原理。(a)风能收集及风速监测的概念应用。(b) 3D结构示意图，插图是DC-TENG的详细结构。(c) AC-TENG和(d) DC-TENG的工作原理。AC-TENG与以往弹性结构TENG在(e)电荷密度、(f)耐久性和(g)能量收集效率的比较。 另一方面，基于摩擦起电和空气击穿原理，直流摩擦纳米发电机的放电信号只发生在固定位置，且不受环境中的电磁干扰，是传感器的优良选择。基于脉冲信号计数方法，DC-TENG传感器通过信号频率与风速建立线性关系来实时监测风速信息，具有宽的风速响应范围从3.77-11.91 m s-1（风速等级从3到6），其线性相关度高达0.999，并实现了不受环境影响的高精度和高稳定性（150万次）。此外，DC-TENG传感器的精度随着DC-TENG单元数量的增加而增加，可以通过增加单元数量进一步提高风速传感器的精度。
图 2 DC-TENG的风速传感性能。电机不同转速下DC-TENG的(a)短路电流、(b)转移电荷和(c)开路电压。不同风速下DC-TENG的(d)转移电荷、(e)短路电流和(f)开路电压。(g) DC-TENG在不同转速和不同直流单元数量下的频率关系。(h)电机不同转速下DC-TENG的线性关系。(i)不同风速下DC-TENG的风速线性关系。基于AC-TENG优异的风能收集和DC-TENG精确的风速传感，该团队构建了一个自供电的实时风速监测系统(图3)，可同时实现实时风速传感、风速等级评估和收集到的风能能量监测。与商用风速表9.00 m s-1的监测结果相比，该系统实现了9.01 m s-1的监测结果(图3b)。此外，DC-TENG输出频率与6.22 ~ 14.38 m s-1的风速之间的相关系数为0.999 (图5c-d)，验证了DC-TENG具有良好的风速监测精度。值得注意的是，该系统可监测16 m s-1级(风级为7级)的大风，可作为恶劣环境下的大风预警。为进一步扩大风速响应范围，DC-TENG可从整体结构中分离出来，形成双转轴TENG来降低摩擦阻力。此外，为了测试该系统对动态风速的响应性能，该团队测试了DC-TENG在不同风速下的相关性能，实验结果表明，DC-TENG对风速变化同样具有良好的响应性能。因此，DC-TENG可以实时获取风速信息，AC-TENG可以实现高效的风能收集并存储在超级电容器中，并为远距离信号传输提供电能。此双模式TENG通过有效地收集风能，为完全自供电和实时监测风速系统提供了一种潜在的策略。
图3 自驱动风速监测系统。(a)风速监测系统的数据采集及信号处理流程图。(b)风速监测系统的照片。右图:风速监测系统界面放大图，包括风速、风速等级和电容器电压。(c)不同风速下的实时电流信号。(d)风速与DC-TENG电流频率的线性关系。(e)基于AC/DC-TENG的全自供电风速监测系统工作流程图。2022年3月21日，该研究成果以“一种用于风能收集和自供电风速监测的双模式摩擦纳米发电机”（A Dual-Mode Triboelectric Nanogenerator for Wind Energy Harvesting and Self-Powered Wind Speed Monitoring）为题发表在《ACS NANO》上。第一作者为中国科学院大学硕士研究生何礼霞、博士生张楚国、博士后张宝峰，通讯作者为王杰研究员。论文的作者还包括中科院北京纳米能源与系统研究所青年研究员吴治峄、副研究员赵志浩、助理研究员周灵琳、博士生袁伟以及硕士研究生杨欧。论文作者所在单位为中科院北京纳米能源与系统研究所和中国科学院大学纳米科学技术学院。论文工作得到研究得到了国家科技部重点研发项目（2021YFA1201602），国家自然科学基金（批准号：U21A20147、61774016、21773009、22109013），中央高校基本科研业务费专项资金（E1E46802）及北京市科学技术委员会（Z171100000317001、Z171100002017017、Y3993113DF）项目的支持。原文链接https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsnano.1c11658