采集波浪能的张拉整体摩擦纳米发电机及其应用研究

作     者：宁恒 

作者单位：广西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘官林

授予年度：2024年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：摩擦纳米发电机 张拉整体 宽频响应 电路管理 波浪能 

摘      要：摩擦纳米发电机（TENG）以位移电流为驱使,可将环境中的各种机械能转换为电能,特别是海水表面高熵低频的波浪能。在广阔海面上铺设TENG阵列,可构建全天候可持续的无线物联网自供电功能系统,在海防军事、岛礁建设、海洋监测等领域具有潜在价值。然而,当前TENG的输出较低,通过集成高密度摩擦层单元是现阶段实现TENG高输出的有效途径之一,但受重力累积的影响,高密度叠层状单元容易发生坍塌难以实现同步且充分的接触分离,如何把高密度集成的TENG单元组成有序整体以实现对外界机械能的高效响应是一个亟待解决的问题。在本论文中,应用张拉整体结构和回字形TENG单元结构将高密度集成的摩擦层单元构成有序整体,提出了张拉整体摩擦纳米发电机（T-TENG）,有效提高了TENG的输出,对波浪能的收集应用及高输出TENG的发展具有一定的参考价值。本论文主要研究内容如下: （1）设计并优化了张拉整体摩擦纳米发电机的结构。张拉整体结构的支架部件集成在器件的中心位置,回形单元结构将高密度叠层TENG单元构成有序整体并环绕在张拉整体支架的外围。该设计使高密度集成的摩擦层免受重力累积效应而垮塌,从而实现整体摩擦层的高效接触分离。在相同条件下比较了器件结构及其等效摆式结构,发现张拉整体结构的应用使T-TENG高度缩减52%,摩擦层面积体密度达到1.07 cm-1。 （2）研究了张拉整体结构预应力大小调节机制,通过改变张拉整体结构中软弦的松紧度调节其内置预应力,使器件具有不同的刚度。不仅提升了器件对大量摩擦层单元的承载能力,还便捷地改变了T-TENG的响应频率,该机制有效拓宽了器件受到外部机械冲击时的共振频率。由回字形TENG单元结构和张拉整体结构结合构成的器件非常适用于全方位地采集频率多变的波浪能。 （3）系统地探究了T-TENG的工作机理和输出影响参数,T-TENG最大输出电压可达1020 V,单位时间输出电荷量达0.816 m C/min,可以直接点亮1512个LED。通过量身定制的低损耗气体放电管进一步增强输出性能后,T-TENG置于水上可采集波浪能为水质检测笔、蓝牙模块等小型电子设备供电。 张拉整体摩擦纳米发电机的提出为构建高密度摩擦层单元以提高输出性能的TENG提供了一种基础模型。