多形态非封装的摩擦纳米发电机研究

作     者：张雪梅 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：奚伊

授予年度：2022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：摩擦纳米发电机 非封装 水能 自供电传感系统 

摘      要：随着科技的发展和进步,人们对电力的需求与日递增,这不仅使电力供给系统面临着巨大的问题,而且给有效的电力获取也提出了新的挑战。为了实现“双碳目标的电力供给和获取,太阳能发电、生物质发电、风力发电和水力发电等低碳或无碳的绿色可再生能源发电方式成为了目前的研究热点。可收集环境中机械能的摩擦纳米发电机自2012年被发明以来,由于具有适应性广、选材广泛、低频下转换效率高等优点,成为了绿色可再生能源发电的研究前沿和热点。地球表面大约70%的部分被水覆盖,这些水以河流、雨滴、波浪等多种形式存在并储存着大量的高熵低频动能。尤其是海浪能,其全年发电量可超过21900TWh,应用的潜力和前景巨大。但是,由于现有技术的限制,这些水能绝大部分却没有被有效地利用和将其转换为电能加以使用。本文结合环境中机械能和各种形式水能的特点,设计并制作了基于摩擦纳米发电机的无规则、多种形式水能收集器,并构建了自供电雨滴传感和监测系统;该研究工作为可再生能源收集和转化提供了新的途径,也为摩擦纳米发电机在可再生能源收集和自供电领域中的广泛应用提供理论和实验依据。全文主要研究内容如下:(1)基于摩擦起电和静电感应原理,设计并制作了非封装U形摩擦纳米发电机(NPU-TENG)。由于该摩擦纳米发电机内部的摩擦层接触分离方向与外部机械刺激运动方向垂直,当外部机械能带动自由活动端往复运动时,可有效地将无规律运动的机械能转换成电能,实现器件的交流电输出。对器件的结构参数研究表明,其叠加层数增加可以提升输出电荷和电荷体密度,在7层时,可达到5.2 m C/m的电荷体密度。(2)基于上述工作和杠杆原理,将获得的结构参数最佳的非封装U形摩擦纳米发电机用于多种形式水能收集,并构建了雨滴传感系统。非封装摩擦纳米发电机由以下两部分组成:与不同形式水能匹配的触发端和U形摩擦纳米发电机部分。器件可用于收集水上/下的水流能量、水波所引起的振动能量以及雨滴能量并为电容器等电子设备供电。基于脉冲电信号的频率与雨滴降水强度之间良好的线性关系,构建了基于Lab VIEW软件的自供电雨滴传感平台。在实际的应用当中,非封装U形摩擦纳米发电机的机械耐久性是不可忽略的因素,在连续工作45 k次后,其转移电荷仅衰减了6.17%。