收集雨滴机械能的摩擦发电机及其性能优化

作     者：牛少帅 

作者单位：兰州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：秦勇;王丽

授予年度：2019年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：雨滴机械能 摩擦发电机 接触分离 栅格化 

摘      要：以微小、离散形式存在的雨滴能量在自然界中分布非常广泛,如果能将其收集并加以利用,将有望为现有的很多便携电子设备、独立传感器网络等的使用提供更多的便利。摩擦发电机因其结构设计灵活、制作方便且易于收集微小机械能,使得它可以实现对雨滴携带的机械能的有效收集。本研究论文从雨滴自身携带能量的特点出发,通过力学分析选择了合适的摩擦发电机的基底材料和器件结构,探索了其性能提高的途径,最后设计制作了一种能够高效收集雨滴机械能的摩擦发电机。我们选择弹性很好且气密性较好的丁腈橡胶作为上基底接受雨滴冲击,以保证摩擦发电机的防水性,器件整体设计为单电极式结构。在0.137 mL/s·cm水流量驱动下,器件的开路电压可以达到140 V,短路电流密度可以达到39μA/m。在外电路中有300 MΩ负载的情况下,器件的最大输出功率密度可以达到46μW/m。我们从力学角度出发,对器件结构进行了分析,并进行了探究最优器件参数的实验。结果表明,边长为30 mm,空气间隙为0.9 mm的器件最有利于进行雨滴机械能的收集。在此基础上,我们对该摩擦发电机进行了栅格化,在保证器件具有最优效率的同时增大了有效收集面积。器件的最大开路电压可以达到400 V,最大短路电流密度为2.5 mA/m,其输出功率密度可以达到110 mW/m,是现有文献中收集雨滴机械能的接触分离式摩擦发电机最大输出功率密度的1.28倍。此外,器件具有长时间工作的能力,并可以作为能源供应器件实现金属的防腐蚀保护。