Triboelectric Energy Harvesting and Sensing (TENG) 2020-2040
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麥姆斯諮詢 王懿
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摩擦起電是一種很普遍的、很古老的現象，無論是梳頭、穿衣還是走路、開車都能遇到。大概從古希臘時期開始，這個現象就幾乎是每個科研工作者，甚至是每個人都知道的物理現象。但是，人們常常認為摩擦起電是一種負面效應，在許多情況下人們都通過各種技術途徑來回避摩擦起電。2012年，美國佐治亞理工學院的王中林教授小組發明了基於摩擦起電效應和靜電感應相結合的摩擦納米發電機（Triboelectric nanogenerator，TENG），能夠將機械能轉化為電能。
基於摩擦電的能量收集器——摩擦納米發電機的四種基本工作模式：（a）垂直接觸-分離模式；（b）水平滑動模式；（c）單電極模式；（d）獨立層模式
摩擦納米發電機是一項顛覆性技術，具有史無前例的輸出性能和優點。與經典的電磁發電機相比，摩擦納米發電機在低頻下的高效能是同類技術無法比擬的。同時它也可以作為自驅動的傳感器來感知由機械觸發所產生的靜態和動態過程的信息。
據麥姆斯諮詢介紹，摩擦納米發電機作為一種能量產生單元，在其內部的電路中，由於摩擦起電效應，兩個摩擦電極性不同的摩擦材料薄層之間會發生電荷轉移而使得二者之間形成一個電勢差；在外部電路中，電子在電勢差的驅動下在兩個分別粘貼在摩擦電材料層背面的電極之間或者電極與地之間流動，從而來平衡這個電勢差。現在，發展摩擦納米發電機技術顯得非常關鍵，也非常有必要，因為摩擦納米發電機是一種非常有前途的能量收集方式，它不僅能收集大規模的能量也能攫取小尺度的能量。利用摩擦納米發電機技術，很有可能能夠解決全球能源短缺，也能夠推動個人電子產品和自驅動系統的發展。納米發電機將是麥克斯韋位移電流繼電磁波理論和技術後在能源與傳感方面的另一重大應用，有可能引領技術革新並深刻改變人類社會。
基於摩擦納米發電機的自驅動傳感系統
這種摩擦納米發電機可以採用透明的柔性材料製造，未來它將有望取代普遍使用的觸摸顯示裝置。此外，摩擦納米發電機還可以用作高靈敏度壓力傳感器。研究人員稱，這種壓力傳感器非常敏感，即便是落下的水滴或是飄落的羽毛這樣的微小壓力也會被準確地“感覺”到，該裝置有望在有機電子材料和光電系統中獲得應用。
（a）（b）：基於摩擦納米發電機的自驅動壓力傳感器；（c）（d）（e）：位置傳感器（來源：北京大學Nano Energy綜述：基於摩擦納米發電機的自驅動電子皮膚）
（a）（b）：基於摩擦納米發電機的自驅動應變傳感器；（c）（d）：滑動傳感器（來源：北京大學Nano Energy綜述：基於摩擦納米發電機的自驅動電子皮膚）
摩擦納米發電機的動力源既可以是已被人們認識的風力、水力、海浪等大能源，也可以是人的行走、身體的晃動、手的觸摸、下落的雨滴等從沒被人們注意過的環境隨機能源，還可以是車輪的轉動、機器的轟鳴等。
收集各種不同形式機械能的摩擦納米發電機實物照片。這些摩擦納米發電機和對應的機械能形式包括：（a）手指敲擊的能量；（b）空氣流動和風能；（c）平面內滑動能量；（d）封閉腔體的摩擦納米發電機用來收集水能和機械振動能；（e）可以用紡織物收集的人體運動的動能；（f）用透明的摩擦納米發電機來收集觸屏操作的能量；（g）腳踏和手拍的能量；（h）水的衝擊能量；（i）用圓柱形摩擦納米發電機來收集轉動能量；（j）置於鞋內的摩擦納米發電機用來收集走路的能量；（k）柔性的柵格結構用來收集滑動的能量；（l）圓盤式摩擦納米發電機用來收集轉動能量
在IDTechEx研究的十二種類型能量收集技術中，有五種是通過捕獲運動而產生電能的。本報告對最新的摩擦納米發電機進行技術分析、市場預測及未來展望，同時包括自供電傳感器和過濾器。
本報告關注重點是摩擦納米發電機的商業前景和如何造福社會，以及實現應用所需的匹配要素。如果您想了解摩擦納米發電機的目標市場——汽車、電子皮膚、可穿戴設備、海浪發電等，那麼本報告剛好適合！
基於摩擦納米發電機的電子皮膚總覽（來源：北京大學Nano Energy綜述：基於摩擦納米發電機的自驅動電子皮膚）
基於波紋式彈性結構的摩擦納米發電機用於波浪能收集
摩擦納米發電機網絡用於大規模收集波浪能
本報告可以幫助物聯網、消費電子、電氣設備、醫療保健、汽車、工業、能源等領域的投資者、潛在用戶及公司明確摩擦納米發電機的發展前景及商業化情況。報告還給出未來十年的市場預測，以及到2040年的技術路線圖。
所有的機械振動能量收集在商業化方面都存在問題。摩擦納米發電機的商業化能夠成功嗎？目前，摩擦電空氣過濾器是第一款商業化產品。該產品源於王中林等人開發的一種高效旋轉摩擦納米發電機（R-TENG）增強型聚酰亞胺（PI）納米纖維空氣過濾器，用於環境氣氛中顆粒物（PM）的去除。這種空氣淨化和霧霾處理的方法，具有零臭氧釋放和低壓降的優異性能。那麼，接下來的商業化產品在哪？請您閱讀本報告吧！
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