面向戶外物聯網應用的基于旋轉圓錐滾子的高性能摩擦電-電磁混合風能采集器
前言
近年來，随着物聯網（IoT）的廣泛普及和嵌入式技術的進一步發展，無線傳感器網絡的應用越來越廣泛，許多傳感器節點通常由電池供電，本質上，存在壽命有限的問題，考慮到全球能源危機和相關環境問題的挑戰，供電成為物聯網長期應用的瓶頸問題。
該裝置采用旋轉圓錐滾子和電-電磁混合技術來驅動發電機，實作對風能的高效采集。
它适用于戶外物聯網應用，因為它能夠在不同的風速和風向條件下進行高效能的電能采集，該裝置具有高性能的摩擦電和電磁轉換效率，并且可通過無線方式實作資料傳輸，友善監測和控制。
這種采集器的設計是基于旋轉圓錐滾子的原理，利用氣體動力來帶動圓錐滾子旋轉，為了增加能量采集效率，裝置還采用了電-電磁混合技術，将機械能轉化為電能，這個裝置的研發和應用，有望成為未來可再生能源開采和利用的重要技術手段之一。
結果與讨論
裝置結構
所提出的 WEH 的器件結構，由水準錐形 TENG 部分和垂直圓柱形 EMG 部分組成，TENG 和 EMG 均由定子和轉子組成。對于 TENG 的定子，首先将銅箔切割成叉指電極圖案，然後粘附到丙烯酸 (PMMA) 基闆的錐形表面上，最後将一層 FEP 薄膜層壓在電極上作為一種摩擦電材料。
工作原理與仿真
簡而言之，隻要通過閉合線圈的磁通量發生變化，就會産生感應電流，
其中N為線圈匝數，Ф為磁通量，t為時間，B為磁通密度，S為線圈面積，R為線圈電阻。
為了更定量地了解 EMG 的拟議工作原理，采用有限元分析通過 JMAG 計算整個體積的磁通密度輪廓和中段的磁感應線分布還進行了更深入的仿真分析，以優化 EMG 部分在相同轉速 240 r/min 下的參數。
混合 WEH 的輸出特性
首先，進行了一系列實驗以優化 TENG 部分在 12 m/s 風速下的輸出性能，包括介電薄膜的材料、每個電極的段數和電媒體的厚度薄膜和電極，首先，系統研究了由不同材料（PTFE、PVDF、FEP）制成的介電薄膜的輸出性能，描繪了三種不同介電薄膜的開路電壓、短路電流和轉移電荷。
然後系統地研究了風速對 EMG 和 TENG 輸出性能的影響，随着風速從 3.5 增加到 15 m/s，EMG 的開路電壓3.14 V 逐漸增加到 47.4 V，這是由于磁通量的變化随着轉速的增加而加速。
混合WEH的應用示範
為了展示對實際電源的潛在應用，首先運作 WEH 為照明電子裝置供電，例如 LED 陣列，甚至 5-W 地球燈，可以看出，單個 EMG 可以輕松點亮 (ii) 360 個并聯的紅色 LED，而單個 TENG 可以明顯點亮 (iii) 240 個串聯的紅色 LED . 一個 5W 的球形燈瞬間點亮，能夠在完全黑暗的環境中提供充足的照明。
随着第五代（5G）和大資料的發展，智能樓宇成為政府機關、公司、企業、住宅樓宇追求的理想居住和辦公場所。每棟智能樓宇都有多個傳感節點，在城市中形成網絡，回報溫度、風速、濕度等實時傳感資訊，由于TENG的交流電壓頻率與風速呈線性關系，混合WEH不僅可以将風能轉化為電能，為傳感器、微處理器和無線傳輸子產品供電，還可以作為自供電風速計。
結論
在本文中，提出了一種基于圓錐滾子公轉和自轉運動的新型摩擦電-電磁混合 WEH，從根本上講，進行了理論模型和模拟分析，然後進行了一系列模拟分析和對比實驗，以優化 EMG 和 TENG 的輸出性能，在風速為 12 m/s 時，優化後的混合動力 WEH 的 EMG 和 TENG 可以分别産生 47.4 和 683 V 的最大開路電壓。
