基于薄膜拍打型摩擦纳米发电机的风能收集研究

发布时间：2021-09-01 20:26

　　大量无线传感器网络节点的能量供给是目前限制物联网技术发展的一个瓶颈.作为新型能量收集技术,摩擦纳米发电机在环境能量收集方面有着显著优势,为解决无线传感节点供电问题提供了技术思路.本文基于摩擦纳米发电机和风致振动原理,提出并系统研究了一种薄膜拍打型摩擦纳米发电机（FF-TENG）,实现了风能高效收集.本文采用仿真软件分析了薄膜拍打过程中的电场分布,利用流场显示方法展示了薄膜的运动状态.同时,研究了薄膜材料、风速、薄膜长度、薄膜串联对FF-TENG输出性能的影响规律.研究发现:随着风速提高,薄膜拍打频率增加,摩擦纳米发电机输出的短路电流增大,而输出电压和转移电荷量在风速超过4.7 m/s之后保持稳定.随着薄膜长度的增加,其拍打频率降低较快,单位长度上的发电性能呈现先增后减的规律.在双薄膜FF-TENG实验中,上游薄膜的扰动导致下游薄膜的拍打幅度更大,这使得两个短薄膜的输出电压比单个长薄膜提升了45%.通过演示实验,本文设计的薄膜拍打型摩擦纳米发电机成功地驱动了温度传感器,并点亮了至少300盏LED灯,表明其在无线传感器供电领域有着广阔的应用前景. 

【文章来源】：中国科学:技术科学. 2021,51(06)北大核心EICSCD

【文章页数】：15 页

【部分图文】：

(网络版彩图) FF-TENG器件结构示意图

此处以PTFE薄膜与铝箔电极充分拍打之后的状态,即PTFE上的静电荷分布已经达到饱和状态为例,由于PTFE是驻极体,具有极佳的绝缘性,可认为其所带的负电荷不会丢失.在图3(a)-I状态时,薄膜处于中间位置,电场处于平衡状态,两侧电极所带正电荷数量相等且二者之和与PTFE所带负电荷相等.电极的电势差为零,但是电流达到最大值,对应图3(b)-I;当PTFE薄膜向左侧移动时,两侧电极之间产生电势差,右侧电极的正电荷向左侧电极转移,直至PTFE薄膜与左侧电极接触,此时两侧电极的电势差达到最大值,当PTFE向右侧运动时,电流方向改变,即图3(a)-II和图3(b)-II.PTFE再次回到中间位置III时与状态I类似.PTFE薄膜在电极之间往复拍打,产生交变电信号.图3 (网络版彩图) FF-TENG电荷转移过程.(a)薄膜拍打过程;(b)单周期电流信号

图2 (网络版彩图)配置不同电介质薄膜材料的FF-TENG输出电压对比基于FF-TENG发电原理,可将摩擦副的每个接触面视为节点,简化为等效电容模型[41],如图4所示.

【参考文献】：
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本文编号：3377634