自供电复合式柔性纳米发电机的研究与设计

发布时间：2020-04-26 18:57

【摘要】：自从压电纳米发电机(PENG)和摩擦纳米发电机(TENG)相继问世以来,应用在自驱动系统中的小型宏观机械能的采集变得更加高效、低成本和简便化。本文创新性的结合轨道交通和微型仿生飞行器的应用背景设计和实现了两种纳米发电机,并获得了优良的器件性能,论文的主要工作包括:首先结合铁路结构健康监测的应用背景,本文实现了一种自供电的摩擦纳米发电机,即TEVA。通过模拟铁路振动仿真平台,本文对TEVA的性能进行了测试和表征。实验表明,TEVA能够成功收集低频振动机械能并转换为电能,从而实现自供电振动加速度监测系统。TEVA的输出电压和电流与振动加速度在1.07rrm/s2到1.25 m/s2的范围内是线性变化的,因此TEVA可以被用作加速度传感器而用于故障诊断。此外,本文还证明了 TEVA能够给锂电池从1.5V充电到3.1V,从而驱动带有温湿度传感器的ZigBee模块正常工作,且通过ZigBee模块检测到的温度和湿度分别为22℃和35%RH。其次,由于军事监控或者环境监测等领域的微型仿生飞行器(BMAV)自身过重的电源负载等因素,大大限制了其发展和应用。所以,本文又设计了一种摩擦和压电复合式的柔性纳米发电机(HFNG),去共同收集BMAV扑翼的机械能。这不仅可以为飞行器自身续航,将浪费的能量变废为宝,而且还使得BMAV变得智能,能够去监测一些环境因素的变化情况。在14Hz的拍机频率下,本文所设计的HFNG能够产生的最大开路电压约为80V,短路电流约为3.0μA,相应的瞬态功率密度为34.1mW/m2。HFNG的输出经整流电路后,可以成功为商用电容器充电并且点亮LED灯。此外,本文还证明了 HFNG在与BMAV机翼集成发电的同时还可以用来测试飞行器的升力大小,所以本文建立了压电电荷量与升力的理论关系模型,通过实验测得的压电电荷量即可计算出升力的大小。HFNG同时也可以看作是一种自供电传感器。实验表明,HFNG的输出峰值电压与环境中的温度、湿度、酒精浓度以及PM2.5的浓度等因素呈现良好的线性敏感特性。
【图文】：

发电机,单根,结构示意图,薄膜

对凹槽的另外一边使用模拟吹风机进行吹风，从而使得ＰＶＤＦ薄膜发生形变而产逡逑生压电电荷，通过外电路形成电流。该课题组研发的用于风能收集的ＰＶＤＦ薄膜逡逑压电发电机的结构示意图如图２－４所示。这种纳米发电机的发电效率与ＰＶＤＦ薄膜逡逑的厚度、外界风速等因素有着较大的关系。逡逑８逡逑

压电,发电机,风能,薄膜

当Ｋａｐｔｏｎ薄膜弯曲时，附在薄膜上的氧化锌纳米线会随之弯曲而被拉伸，逡逑由此会在其两端产生压电电势差。逡逑图２－３单根氧化锌纳米发电机结构示意图［２２］逡逑Ｆｉｇ邋２－３邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｓｉｎｇｌｅ邋ｚｉｎｃ邋ｏｘｉｄｅ邋ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ邋ｔ２２Ｊ逡逑以上的例子都是基于压电半导体材料－氧化锌制作而成的压电纳米发电机，，是逡逑利用氧化锌的弯曲或者拉伸而产生压电效应，从而对外形成电流。下面将介绍基逡逑于压电聚合物材料的压电纳米发电机。逡逑（２）基于压电聚合物材料的纳米发电机逡逑基于压电聚合物材料的纳米发电机在最近己被广泛的报道，原因是压电聚合逡逑物拥有良好的机械性能、环保、廉价、优秀的加工性能以及与人体和水等良好的逡逑声阻抗匹配等优点。逡逑最为经典的压电聚合物材料是ＰＶＤＦ压电材料。２０１０年，Ｃｈａｎｇ等人通过静逡逑电纺丝技术制备了单根ＰＶＤＦ纤维，电纺过程中的强电场和拉伸力使得ＰＶＤＦ形逡逑成具有压电效应的Ｐ晶体型［２３］。在ＰＶＤＦ纤维的两端接上电极就可以制备出这种逡逑类型的压电纳米发电机，ＰＶＤＦ纤维由于弯曲形变而产生压电电势。这种单根ＰＶＤＦ逡逑纤维的纳米发电机的输出电压最高可达到３０ｍＶ，输出电流可达到３ｎＡ。逡逑之后
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM31

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