為物聯網（IoT）設備等小型電子設備供電的可持續能源的需求，促使人們持續探索創新解決方案，例如使用壓電納米發電機（PENG）進行聲能收集。聲能收集利用環境噪聲，通過某些材料的壓電效應將其轉換為電能。
據麥姆斯咨詢報道，近日，阿聯酋哈里發大學（Khalifa University）的研究團隊在Microsystems & Nanoengineering期刊上發表了題為“Advancement in piezoelectric nanogenerators for acoustic energy harvesting”的綜述論文，全面分析了壓電納米發電機技術的研究進展，強調了它們在聲能收集中的作用。該綜述首先討論了壓電效應的基本原理和納米發電機的設計考慮因素，以優化從聲波中的能量捕獲。討論包括對各種壓電材料的詳細研究，例如聚偏氟乙烯（PVDF）、鋯鈦酸鉛（PZT）和氧化鋅（ZnO）納米線，它們以其卓越的壓電性能而聞名。
該綜述的一個重要方面是探索提高壓電納米發電機效率的創新結構設計和諧振器。團隊深入研究了使用亥姆霍茲諧振器（HR）、四分之一波長管和懸臂梁等的機制和優勢，這些器件有助于放大聲學信號并提高能量轉換率。接著，該綜述討論了壓電納米發電機在各個領域的實際應用。環境監測系統、可穿戴電子設備和醫療設備將從壓電納米發電機提供的持續、綠色電力中受益。這些應用可以通過利用環境聲能來減少對電池的依賴并最大限度地減少維護需求，從而實現更高效和更持久的運行。
最后，該綜述詳細討論了壓電納米發電機面臨的挑戰，包括材料降解、效率限制以及將這些器件集成到現有技術架構中的問題，并提出了提高壓電納米發電機系統壽命和性能的潛在解決方案。
圖1提供了壓電納米發電機的聲能收集過程，并說明了該領域采用的不同元件和方法。
圖1 使用壓電納米發電機（PENG）收集聲能的關鍵元件示意圖
聲學壓電納米發電機作為一種將聲能轉換為可用電能的可行方法，在能量收集領域引起了人們的關注。壓電納米發電機以其非凡的靈敏度而著稱，這使它們能夠檢測到即使是最輕微的機械振動，包括標準能量收集方法難以利用的低頻噪聲。壓電納米發電機的另外一個特點是其納米級尺寸，使其可以順利集成到微型設備中，而不會增加體積或重量。研究人員正在積極探索聲學壓電納米發電機技術的各個方面，以充分釋放其潛力。開發和利用具有增強壓電性能的先進材料一直是研究焦點。值得注意的例子包括PVDF、PZT和ZnO納米線。這些材料有望顯著提高壓電納米發電機的效率并擴展其功能。
圖2 基于PVDF的聲學壓電納米發電機的設計和性能
壓電納米發電機的基本構造包含兩個主要組件：壓電材料和金屬電極。該器件的核心部分，即壓電材料，在通過機械應力或變形產生電荷方面起著至關重要的作用。為了便于收集和傳輸產生的電荷，金屬電極位于壓電層的上下表面。壓電納米發電機通常配有外殼，以保護敏感組件并提高其運行效率。為了提供結構強度并保護內部組件免受灰塵、濕氣和物理損傷等各種外部因素的影響，外殼通常由堅固輕質的材料制成。該綜述介紹了具有創新的結構設計方面的研究，為壓電能量收集提供了新的見解和潛在進展。
圖3 在聲學壓電納米發電機中實現高效能量收集的創新結構
基于四分之一波長的壓電納米發電機是一種具有獨特設計的器件，它利用諧振現象來優化能量轉換效率。該器件采用四分之一波長諧振器的原理，能夠在特定頻率下有效地提取機械能?；谒姆种徊ㄩL的壓電納米發電機的基本配置包括一層位于兩個固定的終端或反射屏障之間的壓電材料。當器件受到具有適當頻率的機械振動或波的作用時，這些擾動會沿著壓電層傳播，導致材料內部產生機械應變增加和減少的區域?；谒姆种徊ㄩL的壓電納米發電機的主要優點在于它能夠達到顯著的能量轉換效率。這是通過將壓電納米發電機的諧振頻率與外部機械振動的頻率保持一致來實現的。諧振現象有助于增強機械應變，從而提高電輸出，使其成為從目標振動源收集能量的非常合適的選擇。
圖4 利用壓電納米發電機中的四分之一波長管諧振器優化聲能收集
亥姆霍茲諧振器是一種用于選擇性衰減或放大某些聲音頻率的器件。該器件包括一個帶有狹孔的容器，狹孔與一個較大的腔室相連，該腔室設計用于容納少量空氣。諧振器的性能取決于多個因素，包括腔室的體積和大小、狹孔的形狀以及封閉空氣的質量。當頻率接近亥姆霍茲諧振器諧振頻率的聲波進入該器件時，封閉的空氣會以不同的方式發生振蕩，從而放大輸入信號。亥姆霍茲諧振器和質量-彈簧-阻尼系統是不同領域（分別是聲學和力學）中基本諧波振蕩器的典型示例。通過將聲學納米發電機與亥姆霍茲諧振器集成，可以成功收集和轉換聲能，從而提高能量收集效率。諧振器對特定頻率范圍的適應性使其能夠有效地用作收集和放大聲能的響應器件。通過調整諧振器的設計以與周圍環境聲音的頻率保持一致，它能夠有效地檢測、放大和轉換甚至微弱的聲能。這一特性使其非常適合在噪聲容限有限的環境中為低功率設備供電。通過集成多個調諧至各種頻率的諧振器可以實現系統的優化，從而實現寬帶能量收集。
圖5 利用亥姆霍茲諧振器增強輸入信號，以利用壓電納米發電機進行聲能收集
聲學壓電納米發電機（A-PENG）具有將聲能轉換為電能的卓越能力，在各個領域具有廣泛的應用，包括環境監測系統、可穿戴電子設備和醫療設備等。
圖6 聲學壓電納米發電機的各種應用
綜上所述，這篇綜述深入探討了壓電納米發電機在聲能收集方面的最新研究進展，強調了這些器件在將環境聲音轉換為電能方面的巨大潛力。本文探討了壓電納米發電機技術中使用的各種結構設計和材料，突出了它們通過壓電效應將機械能有效轉換為電能的潛力。文中深入研究了各種結構配置，例如懸臂梁、亥姆霍茲諧振器和四分之一波長諧振器，每種結構配置在優化能量轉換方面都具有獨特的優勢。文中還討論了材料選擇（包括天然和合成壓電材料）在提高器件性能方面的關鍵作用。
該綜述還探討了壓電納米發電機在可穿戴技術、城市基礎設施和醫療保健設備中的集成，展望了自供電系統的未來。文中探討了壓電納米發電機面臨的能源轉換效率、長期耐用性和經濟可行性等挑戰，指出混合型壓電納米發電機有望成為一種提高效率的有前途的解決方案?？傊摼C述強調了壓電納米發電機在推進可再生能源解決方案方面的關鍵作用，并為未來聲能收集的研究和開發奠定了基礎。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00811-4
