用于自供电多参数无线监测的摩擦电-电磁超材料系统

《Nano Energy》：Triboelectric-electromagnetic metamaterial systems for self-powered multiparameter wireless monitoring

　　自供电多参数监测系统基于风力驱动的三电介质超材料（TE-MS）开发，通过旋转组件（电磁发电机监测应力）与移动组件（摩擦电发电机检测温湿度）联动实现结构与环境参数的实时无线传输，为大型工程结构安全评估提供创新方案。

　　

李文涛|韩康辉|沈国辉|何志国|焦鹏程

浙江大学海洋传感国家重点实验室及海洋学院，中国舟山316021

摘要

自供电、多参数实时监测对于确保大型结构的安全至关重要，这些结构会受到台风等风灾的影响。然而，在极端工作条件下，检测复杂大型结构的多参数动态响应仍然存在不足。本文开发了一种风驱动的摩擦电-电磁超材料系统，用于监测强风下大型桁架结构的多参数响应。这种混合超材料系统包括旋转组件和平移组件，分别配备摩擦电发电机和电磁发电机，实现了对结构和环境的自供电多参数监测。通过实验研究了摩擦电-电磁装置在不同旋转速度、频率和风速下的电响应。随后将这些装置集成到无线监测系统中，实现实时数据采集。最终，将超材料系统应用于监测大型输电塔模型的多参数响应：旋转组件用于监测结构动态响应（即应力），平移组件用于监测环境参数（即温度和湿度）。所提出的超材料系统为大型工程结构的实时自供电多参数监测提供了新的设计思路。

引言

作为典型的大型桁架结构，大型输电塔构成了全球能源网络的基础框架[1]。在极端环境条件下，确保这些结构的安全稳定运行至关重要[2]。然而，由于这些基础设施的庞大体积、偏远位置和复杂的结构配置，常规的运行维护工作极具挑战性，而且传统的人工检测方法通常效率低下且成本高昂[3][4]。例如，输电塔在长期使用过程中会受到强风、积冰、温度剧烈变化等复杂环境载荷的影响[5]。准确实时监测温度和振动等多参数对于保障塔架的安全运行至关重要[6]。结构健康监测（SHM）技术要求精确的数据采集、低功耗以及可靠的远程无线传输[7][8]。得益于先进的传感和无线传输技术的快速发展，集成型SHM系统已成为实现高效监测的关键手段[9][10]。与蓝牙和Zigbee等传统无线传输技术相比，长距离无线电（LoRa）因其长传输距离（>1公里）和低功耗（约毫瓦）而受到研究和实践的关注[11][12]。然而，无线监测系统的电池供电存在寿命短和维护成本高的问题[13][14][15][16]。因此，利用环境能量实现无线监测的自供电成为一种创新且可行的技术途径。

风能具有分布广泛、资源丰富和功率密度高的特点[17][18]。与太阳能和机械能解决方案相比，风能因其能够全天候发电、对土地要求低以及适合大规模电网部署的经济可行性而受到研究关注[19][20]。近年来，风能收集技术的进步主要集中在电磁发电机（EMG）、压电纳米发电机（PENG）、摩擦电纳米发电机（TENG）以及混合发电机系统[21][22][23][24][25][26][27]上。PENG在低频风能转换效率、输出功率有限和材料脆性方面的不足限制了其有效捕获不规则风能的能力[28]。近年来，TENG因其设计灵活性强、结构简单和成本低廉等优点而受到广泛关注[29][30][31][32][33][34][35]。将TENG与EMG结合使用可以互补优势，扩大有效工作风速范围并优化电输出特性[36]。例如，已有研究报道了可堆叠的摩擦电-电磁混合纳米发电机用于构建自供电的环境监测系统[37]，还有双向旋转涡轮式摩擦电-电磁波能收集器被开发用于海洋环境监测[38]。然而，针对大型结构的自供电多参数监测研究仍处于起步阶段。

在本研究中，我们报道了一种由风驱动的摩擦电-电磁超材料系统（TE-MS）驱动的自供电无线监测系统，用于大型桁架结构的多参数监测。TE-MS由旋转组件和平移组件构成，每个组件都包含TENG和EMG以实现功能。首先研究了旋转组件和平移组件在不同旋转速度和频率下的电响应，然后通过连接机制将两者结合，并在不同风速和外部电阻条件下测试其电性能。最后，我们开发了由TE-MS驱动的集成无线监测系统，用于监测输电塔的多项参数（即结构应力、温度和湿度）。监测结果表明，所提出的超材料系统能够准确捕捉输电塔的动态响应，并能实现数据的实时无线采集和传输。这些发现表明，TE-MS系统为大型工程结构的实时自供电监测提供了有效的解决方案。

TE-MS的应用场景、结构特点和工作原理

图1A展示了2024年全球电力消耗分布情况，前三名分别为中国（超过32%）、美国（14.3%）和俄罗斯（3.9%）[39]。这种高水平的电力消耗凸显了输电塔和有效SHM系统实施的重要性。图1B显示了过去二十年全球电力生成的演变趋势，突显了风能的重要性日益增加。

结论

本研究开发了一种风驱动的摩擦电-电磁超材料系统（TE-MS），用于大型桁架结构的多参数监测。TE-MS由旋转组件和平移组件构成，两者通过连接机制相连。借助EMG和TENG，旋转组件和平移组件实现了对结构和环境的自供电多参数监测。所提出的TE-MS已与无线监测系统集成。

TE-MS的制造过程

TE-MS的外壳和连接部件采用PLA材料3D打印而成。旋转组件包含EMG1和TENG1。EMG1由磁层和铜线圈层组成，铜线圈层由10个铜线圈构成，并用树脂密封在外部；磁层由10个永久磁圆柱体组成，均匀分布在平面内，厚度为5毫米，直径为20毫米。TENG1由铜箔、PTFE薄膜和羊毛刷组成。

作者贡献声明

李文涛：撰写初稿、验证、软件开发、方法设计、数据收集与分析。韩康辉：撰写初稿、数据可视化、软件开发、数据分析。沈国辉：审稿与编辑、项目监督、数据分析。何志国：审稿与编辑、项目监督、资金筹措、概念构思。焦鹏程：审稿与编辑、项目监督、资源调配、资金筹措、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究部分得到了国家重点研发计划（2023YFC3008100）和国家自然科学基金（52573352）的支持。