基于摩擦纳米发电机的无线自驱动环境监测系统

发布时间：2020-05-29 00:54

【摘要】：随着人工智能等概念的提出和迅速发展,智能化的物联网技术已经成为改变人类生活方式的主要手段。物联网是基于电子传感器对各种环境参数的实时监测进而传递到人工交互界面构建的。由于环境参数具有多样性和动态性,物联网的构建依赖于大量各式各样的分布式传感器。大部分电子传感器离不开传统外部电源的驱动,电子传感器难以独立持续地运行严重限制了物联网的发展。因此,无外部供电的自驱动系统被提出用来实现物联网系统的自供电如太阳能、风能自驱动系统。自驱动系统能够在没有外部电源的情况下通过收集周围环境中的能量,并转换为电能实现主动传感,并用于构建无线自驱动环境监测系统。近来,基于TENG(摩擦纳米发电机,triboelectric nanogenerator)自驱动系统迅猛发展,相较于传统的太阳能、风能自驱动技术,TENG自驱动技术具有低成本、易组装等优点。基于TENG(triboelectric nanogenerator)的无线自驱动监测技术,不仅有可能帮助解决全球能源短缺与环境污染问题,也能够推动无线传感技术的进步。本论文中,基于TENG,我们设计了几种不同结构、不同能量收集方式、不同无线通信方式的无线自驱动环境监测系统。基于TENG的智能传感节点具有巨大的应用前景。本论文的研究要点如下:1.天气预测和灾害预警离不开气象监测。气象监测依赖于各种传感器,需要外部不断地提供能量。从周围环境中收集能量为传感器节点供电,将为改变这一现状提供新的途径。我们构建了一种自供能的气象监测系统,它可以通过摩擦电纳米发电机以收集风能来驱动。我们设计制备单电极圆柱型TENG能够收集转动能量。系统实验和模拟都证明,由两个的半周长摩擦层构成的TENG具有良好的输出性能。TENG不仅能够收集风能,还可以通过与常规风速传感器集成,用于自供能、无线、远程气象探测。这项工作不仅促进了绿色可持续能源收集的发展,也推动了TENG在自供电遥感中的应用。2.建立智能传感系统非常具有前景但又具有一定的挑战性,因为传统设备往往需要外部电池或电网供电,这严重限制了其应用,尤其是在偏远地区或在供电困难的情况下。在此,我们制备了一种基于混合纳米发电机(NG,hybrid nanogenerator)的智能自供能传感网络,可以同时或单独收集风能和太阳能,作为可持续能源。起着核心作用的是透明、柔性的旗状TENG,其输出电压与风速和集成单元的数量成正比。通过巧妙的结构,底部的太阳能电池可以不受外界影响地吸收阳光。混合型NG不仅可以主动检测风速,还可以用于构建自供能无线温度传感系统,进一步实现多功能传感。这项工作促进了基于TENG的可再生能源收集技术的发展,提出了一种通过收集环境能源实现多种监测功能的智能传感网络节点。3.由于水在地球上广泛存在且普遍可用,从水中获取能量具有重大意义。在此,我们制备了一种TENG,具有结构简单,成本低的优点,不仅可以从水中获取能量,而且可以根据TENG的输出电信号主动检测水流的位置和速度。此外,我们可以调整TENG结构来收集风能,实现自驱动旋转状态监测。另外,我们构建了基于此TENG的用于实现主动监测功能的自驱动可见光通信(VLC,visible light communication)系统,可用于无需外部电源的自供能无线数据传输。这项工作在自供电无线监测方面意义非凡。
【图文】：

能源危机和新能源的发展

基于摩擦纳米发电机的无线自驱动环境监测系统

基于TENG的自驱动压力传感系统
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM31;TP212.9

【参考文献】