基于摩擦纳米发电机的水波、风雨能收集及自驱动传感
发布时间：2020-08-14 18:42
【摘要】：随着能源危机的加重,寻找一种可以转化环境中清洁能源的方法显得很迫切,最近,摩擦纳米发电机(TENG)在收集环境中低频机械能方面展现出巨大的潜力,这主要取决于其独特的工作机制。最近有许多利用TENG收集水波能的研究工作,水汽的干扰会严重影响TENG的输出性能,所以必要的封装会有助于提升能量转化效率。为了更高效地收集水波能,一些研究工作将电磁发电机(EMG)结合到复合器件中来实现宽频带的能量收集。风能和雨滴能是自然界中常见的能源,尽管收集风能的EMG较为成熟,但成本较高。近年来,因成本低廉、功率密度高等优势,TENG在收集雨滴能和风能等方面有着巨大的潜力。然而,变化的风向和雨滴较弱的机械冲击力限制了风能、雨滴能的高效收集。已有同时收集风能和雨滴能的TENG,但器件结构仍有待优化。基于以上研究现状,本文的主要工作是设计一种收集水波能的海洋电力系统,同时将从水波能转化的电能应用于海水淡化。另外一项工作是设计一种同时收集环境中风能、雨滴能的复合器件,有望用作自驱动风雨报警器。论文包括两部分的工作,主要的研究内容如下:第二章,介绍了用于收集海洋水波能量的船型电磁摩擦复合纳米发电机(SHNG),TENG与EMG可以同时利用两种不同的能量转换机制。SHNG由三部分TENG和一部分EMG组成。在2 Hz的工作频率下,接触分离TENG在20 MΩ的电阻负载下可产生约800μW的峰值功率。并且在100Ω的电阻负载下,EMG的峰值功率达到9 mW。关于电容的充电电压方面,与单个TENG或EMG相比,SHNG可以实现更高的充电电压和更快的充电速度。变压器降低TENG的阻抗以实现TENG和EMG的阻抗匹配。SHNG已被实验能有效地淡化海水,3小时后海水淡化率达到29.4%。SHNG已被测试可用作数字温湿度计供电的功率源。除此之外,它还可以驱动射频发射器来建立无线定位系统。这项工作提出了一种有效的方法来捕获蓝色能源,同时,获取更多的海上饮用水和实现海上救援工作都有望通过SHNG实现。第三章介绍了一种可以同时收集风能和雨滴能的复合摩擦纳米发电机(WR-TENG),WR-TENG包括用于捕获风能的独立层模式TENG和用于捕获雨滴能的接触分离模式TENG。为了适应变化的风向,设计了一种风向标式的摩擦纳米发电机(W-TENG),它可以适应时常变化的风向和风速。收集雨滴能的摩擦纳米发电机(R-TENG)采用气囊式的设计以保护内部的电极,这种独特的气囊具有较好的弹性回复作用。除此之外,W-TENG位于R-TENG下方来避免两者的相互干扰。该项工作提出一种基于TENG的新颖的风能、雨滴能同时收集的方法,此外,在监测环境方面展现出良好的潜力,这将为电能缺乏的荒郊野外的工人提供便利。
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM31;TP212.9
【图文】：
图 1-1 TENG 随着接触周期的增加，输出电流也随之增加1.3 摩擦纳米发电机的工作原理1.3.1 垂直接触-分离工作模式垂直接触-分离模式的 TENG 基本结构和工作机制如图 1-2 所示，对于接触分离式TENG 来说[14-17]，其基本的结构是两个不同的介电薄膜面对面的堆叠。在两个介电薄膜的背面各有一个金属电极，对于介电薄膜的选择是多样性的，图 1-3 给出常见材料的摩擦序列，这也就表明了材料在相互接触摩擦时俘获对方电子的能力。通过这个表格我们也可以得到两种不同材料在相互接触分离后所带的电荷的正负。随着 TENG 被不断地深入研究，我们也可以通过实验合成一些性能更好的摩擦材料，材料的多样性也会满足结构的多样性，对于电极的选择也是多样性的，而且导电材料也是比较常见的。在图 1中也列出了许多的导电材料，当然我们也可以通过实验合成一些导电材料或者对其改性。总而言之，无论摩擦材料还是电极材料都具有很多的选择性。
图 1-1 TENG 随着接触周期的增加，输出电流也随之增加1.3 摩擦纳米发电机的工作原理1.3.1 垂直接触-分离工作模式垂直接触-分离模式的 TENG 基本结构和工作机制如图 1-2 所示，对于接触分TENG 来说[14-17]，其基本的结构是两个不同的介电薄膜面对面的堆叠。在两个介膜的背面各有一个金属电极，对于介电薄膜的选择是多样性的，图 1-3 给出常见材摩擦序列，这也就表明了材料在相互接触摩擦时俘获对方电子的能力。通过这个表们也可以得到两种不同材料在相互接触分离后所带的电荷的正负。随着 TENG 被不深入研究，我们也可以通过实验合成一些性能更好的摩擦材料，材料的多样性也会结构的多样性，对于电极的选择也是多样性的，而且导电材料也是比较常见的。在图中也列出了许多的导电材料，当然我们也可以通过实验合成一些导电材料或者对性。总而言之，无论摩擦材料还是电极材料都具有很多的选择性。
图 1-3 常见材料的摩擦序列接触-分离型 TENG 的工作过程是周期的接触和分离，我们通常研究其在一个周的工作机制。在开始状态下，介电材料 A 和介电材料 B 的表面并没有电荷产生， A 和电极 B 之间没有电势差的存在。如图 1-2 中状态Ⅰ所示，当给两个表面外侧施个机械力的作用后，介电材料 A 的表面会和介电材料 B 的表面相互接触，介电材料 B 的表面会带上相反的电荷，当然这个过程需要外力做功来完成。摩擦电序列是根料的得失电荷的能力来排列的。在这里我们假设介电材料 A 的电负性较强，如图 1状态Ⅰ所示，两个表面带有等量的异种电荷。在这里需要说明的是，介电材料一般高分子的聚合物材料，这种材料的绝缘性很好，所以材料表面的电荷可以保持很长间，这些电荷在表面可能存在几个小时或者长达几天。尽管在该状态下材料 A 和材 表面有大量的相反电荷，但是它们处在同一平面内。在该情况下，电极 A 和电极间依然没有电势差的存在。当介电材料 A 和介电材料 B 的表面由于机械力的作用分离时，在介电材料 A 和介电材料 B 的表面之间会形成一个空气间隙，也就是图 1
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM31;TP212.9
【图文】：
图 1-1 TENG 随着接触周期的增加，输出电流也随之增加1.3 摩擦纳米发电机的工作原理1.3.1 垂直接触-分离工作模式垂直接触-分离模式的 TENG 基本结构和工作机制如图 1-2 所示，对于接触分离式TENG 来说[14-17]，其基本的结构是两个不同的介电薄膜面对面的堆叠。在两个介电薄膜的背面各有一个金属电极，对于介电薄膜的选择是多样性的，图 1-3 给出常见材料的摩擦序列，这也就表明了材料在相互接触摩擦时俘获对方电子的能力。通过这个表格我们也可以得到两种不同材料在相互接触分离后所带的电荷的正负。随着 TENG 被不断地深入研究，我们也可以通过实验合成一些性能更好的摩擦材料，材料的多样性也会满足结构的多样性，对于电极的选择也是多样性的，而且导电材料也是比较常见的。在图 1中也列出了许多的导电材料，当然我们也可以通过实验合成一些导电材料或者对其改性。总而言之，无论摩擦材料还是电极材料都具有很多的选择性。
图 1-1 TENG 随着接触周期的增加，输出电流也随之增加1.3 摩擦纳米发电机的工作原理1.3.1 垂直接触-分离工作模式垂直接触-分离模式的 TENG 基本结构和工作机制如图 1-2 所示，对于接触分TENG 来说[14-17]，其基本的结构是两个不同的介电薄膜面对面的堆叠。在两个介膜的背面各有一个金属电极，对于介电薄膜的选择是多样性的，图 1-3 给出常见材摩擦序列，这也就表明了材料在相互接触摩擦时俘获对方电子的能力。通过这个表们也可以得到两种不同材料在相互接触分离后所带的电荷的正负。随着 TENG 被不深入研究，我们也可以通过实验合成一些性能更好的摩擦材料，材料的多样性也会结构的多样性，对于电极的选择也是多样性的，而且导电材料也是比较常见的。在图中也列出了许多的导电材料，当然我们也可以通过实验合成一些导电材料或者对性。总而言之，无论摩擦材料还是电极材料都具有很多的选择性。
图 1-3 常见材料的摩擦序列接触-分离型 TENG 的工作过程是周期的接触和分离，我们通常研究其在一个周的工作机制。在开始状态下，介电材料 A 和介电材料 B 的表面并没有电荷产生， A 和电极 B 之间没有电势差的存在。如图 1-2 中状态Ⅰ所示，当给两个表面外侧施个机械力的作用后，介电材料 A 的表面会和介电材料 B 的表面相互接触，介电材料 B 的表面会带上相反的电荷，当然这个过程需要外力做功来完成。摩擦电序列是根料的得失电荷的能力来排列的。在这里我们假设介电材料 A 的电负性较强，如图 1状态Ⅰ所示，两个表面带有等量的异种电荷。在这里需要说明的是，介电材料一般高分子的聚合物材料，这种材料的绝缘性很好，所以材料表面的电荷可以保持很长间，这些电荷在表面可能存在几个小时或者长达几天。尽管在该状态下材料 A 和材 表面有大量的相反电荷，但是它们处在同一平面内。在该情况下，电极 A 和电极间依然没有电势差的存在。当介电材料 A 和介电材料 B 的表面由于机械力的作用分离时，在介电材料 A 和介电材料 B 的表面之间会形成一个空气间隙，也就是图 1
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本文编号：2793398
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