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复合型电磁-摩擦纳米发电机

科学通报 2016年第12期61卷 1268-1275页

作者：杨亚杨婉璐中国科学院北京纳米能源与系统研究所北京100083

复合型电磁-摩擦纳米发电机主要是利用电磁发电机和摩擦纳米发电机从同一种机械运动中转换机械能为电能.与单独的电磁发电机或摩擦纳米发电机相比,复合型纳米发电机具有更大的输出功率,更高的机-电转换效率,可以解决一些具有更大功率的... 详细信息

复合型电磁-摩擦纳米发电机主要是利用电磁发电机和摩擦纳米发电机从同一种机械运动中转换机械能为电能.与单独的电磁发电机或摩擦纳米发电机相比,复合型纳米发电机具有更大的输出功率,更高的机-电转换效率,可以解决一些具有更大功率的电子器件的供电问题.复合型电磁-摩擦纳米发电机的最新研究成果表明,该发电机在自驱动传感器、可穿戴设备的供电和物联网等方面具有重要的应用前景.本文系统阐述了近期摩擦纳米发电机与电磁发电机复合型能源体系的相关工作.

关键词：摩擦纳米发电机电磁发电机复合型纳米发电机生物机械能单一方向机械运动

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非谐振式的电磁-摩擦复合式纳米发电机

中北大学学报（自然科学版） 2023年第4期44卷 455-464页

作者：任静何剑中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室山西太原030051

针对人体机械能频率低(<10 Hz)、振幅高、运动不规则的特点,为了实现对人体机械能的高效采集,本文利用非线性频带拓宽技术的单稳态法设计了一款非谐振式摩擦-电磁复合式能量采集器。该器件将电磁发电机(Electromagnetic Nanogenerator,E... 详细信息

针对人体机械能频率低(电磁复合式能量采集器。该器件将电磁发电机(Electromagnetic Nanogenerator,EMG)和摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,TENG)集成至一个具有非线性特性的磁悬浮系统中,利用非线性系统幅频曲线共振峰值偏移现象,拓宽了器件的频率响应范围;引入了柔性多层摩擦发电单元,不仅增强了器件的低频响应特性,还提高了器件的输出功率。测试结果表明:在6 Hz、10 m/s^(2)的振动条件下,当外接电阻为100 MΩ,顶部摩擦发电单元TENG1和底部摩擦单元TENG2的瞬时输出功率分别为202.5μW和348.1μW;当外接电阻为60Ω时,两组电磁发电单元EMG1和EMG2的瞬时输出功率均可达到150 mW。此外,设计的复合式能量采集器不仅可以通过人体在4 min内的运动将容值0.022 F的电容器从0 V充电到3.3 V,还可以驱动低功耗传感器。所设计能量采集器突破了传统谐振式能量采集器在低频、随机振动环境下能量采集效率低的难题,能够用于自供电式低功耗便携式电子产品。

关键词：复合式能量采集器磁悬浮系统电磁发电机摩擦纳米发电机人体机械能便携式电子产品

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电磁—摩擦复合发电机的制备及其在海洋能收集应用的研究

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电磁—摩擦复合发电机的制备及其在海洋能收集应用的研究

作者：邵惠云苏州大学

学位级别：硕士

在全球范围内广泛分布的海洋能是目前最有前景的可再生能源之一,理论上传统的电磁发电机(EMG)可用于收集海洋能,然而它在收集不规则和低频(<5 Hz)运动能量时存在诸多局限,使海洋能难以得到有效利用。最近发明的摩擦纳米发电机(TENG)在... 详细信息

在全球范围内广泛分布的海洋能是目前最有前景的可再生能源之一,理论上传统的电磁发电机(EMG)可用于收集海洋能,然而它在收集不规则和低频(发电机(TENG)在收集低频水波运动能量方面比电磁发电机更有优势,将TENG制备成发电网络可用于大规模海洋能的收集,满足人类的能源需求。然而海水的长期腐蚀、水气和海水的高离子浓度都对摩擦起电能力有负面影响,因此对TENG进行封装是TENG实现海洋能收集的一个必要过程。近来提出了利用成对磁铁之间的非接触吸引力完成从波浪(外部机械源)到TENG的机械传动,将波浪的机械能经由TENG转化成电能,从而实现TENG部分的封装。海浪驱动成对磁铁中的一个磁铁运动,使另一个磁铁在磁铁间吸引力的作用下运动,带动与之相连的TENG的两个摩擦层不断地发生相对运动,因此可以将TENG封装起来。同时,与铜线圈结合又可以形成EMG,实现TENG和EMG的复合。然而,如何构建高效率和持久耐用的TENG与EMG的复合发电系统来收集不规则和低频的海洋能仍面临挑战。基于以上现状,本文的主要工作是设计并构建适应波浪运动的耐用的海洋能发电系统,使之能有效收集海洋能,使海洋能真正实现大规模应用。本文将不同的能量采集器进行整合,分别设计了盒子状、滚轮状和活塞式的复合发电系统,充分利用各个部件的优势,用以收集不同形式的海洋能,从而达到有效收集能量的目的。论文主要包括三个工作,涉及三种不同结构的能量采集器。主要研究结果如下:(1)构建了一种多功能的复合发电单元,该装置由接触分离式摩擦纳米发电机(CS-TENGs),独立滑动式电磁发电机(FS-EMGs)和防水硅基太阳能电池(WS-SC)所组成;当收集海浪动能时,独立滑动式电磁发电机底部的磁铁在海浪的驱动下向前或向后移动,使得顶部的磁铁在非接触吸引力作用下向上或向下移动,带动接触分离式摩擦纳米发电机的两个摩擦层不断地接触分离;摩擦纳米发电机能够高效地收集低频(电磁发电机能在较大的频率下实现较大的输出,它们的复合达到了在宽频率范围内收集蓝色能源的目的;此外,考虑到海面上有充足的光照,太阳能电池可以很容易地集成起来,同时收集太阳能;在2 Hz的运动频率下,TENG的开路电压为142 V,而短路电流为23.3μA;EMG的开路电压为0.66 V,而短路电流为2.14 m A;太阳能电池的总功率转换效率可达5.1%。(2)构建了一种全封装的摩擦-电磁复合发电机(TEHG),它同样用磁铁作为触发器来驱动接触分离式摩擦纳米发电机(CS-TENGs),与铜线圈结合又可以形成旋转独立式电磁发电机(RF-EMGs);成对的磁铁通过相互的吸引力将外部机械能传递给CS-TENG,实现CS-TENG部分的封装,保护其不受周围环境的影响;在100 rpm的转速下,CS-TENGs分别提供315.8 V的输出电压,44.6μA的输出电流和90.7μW的平均功率,同时RF-EMGs的输出分别达到0.59 V,1.78 m A,和79.6μW。滚轮状的TEHG更容易被水流驱动,能够建立一个基于TEHG的自供电水温感应系统,实时监测海水温度的变化。(3)构建了一种复合滚动球形纳米发电机、独立层模式纳米发电机和环绕式电磁发电机的混合发电系统,实现了水波能的有效转化;在波浪运动时,浮球的起伏会通过刚性连接以同样的力度传给活塞式能量收集器,这样三个部分可以同时产生输出;在5 Hz的频率时,滚动球形纳米发电机产生150 V的开路电压和1.6μA的短路电流;独立层模式纳米发电机产生358 V的开路电压和5.73μA的短路电流;而环绕式电磁发电机的开路电压可达到1.63 V,短路电流可达到5.12 m A左右;另外,与之前提出的利用磁铁的非接触吸引力实现机械传动的原理不同,这里的磁铁只作为定子,磁铁间的吸引力能确保纳米发电机的定子完全不动;这种复合发电机不仅可以直接给发光二极管供电,也可以将电能储存在电容器、电池等储电设备中。

关键词：摩擦纳米发电机电磁发电机复合发电机海洋能

基于电磁-摩擦复合式发电机的微振幅机械能采集器的研究

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基于电磁-摩擦复合式发电机的微振幅机械能采集器的研究

作者：甄高伟天津大学

学位级别：硕士

电子产品正朝着微型集成化、功能性和无线便携性的方向发展。随着物联网时代对自供电需求的不断增加,数以百万计的传感器的可持续的能源供应成为亟待解决的重大问题。在我们生活的自然环境中,存在着各种各样的机械运动,比如海浪的波动... 详细信息

电子产品正朝着微型集成化、功能性和无线便携性的方向发展。随着物联网时代对自供电需求的不断增加,数以百万计的传感器的可持续的能源供应成为亟待解决的重大问题。在我们生活的自然环境中,存在着各种各样的机械运动,比如海浪的波动、人走路以及桥梁振动等。将这些能量有效的收集起来并合理的利用,是解决物联网时代电子产品供电的重要途径。电磁发电机和摩擦纳米发电机是常用的两种振动能量采集器。电磁发电机是一种基于电磁感应定律的传统的能量采集器件。而摩擦纳米发电机作为一种新型发电技术,因其结构简单、高功率密度和材料选择广泛等优点而受到越来越多的关注。自2012年发明以来,已经广泛应用于微纳电源、自供电传感、海洋能和高压电源。本文对基于电磁感应和麦克斯韦位移电流的两种振动能收集器件进行了基础特性的研究,重点研究了在不同的运动幅度的条件下,两种能量收集器的输出功率的规律,并且集成两种适用于振动能的收集方式,设计复合式振动能量收集器。主要内容包括:1.从理论上推导了两种发电方式的开路电压和短路电流与运动幅度的关系,并用实验加以验证。2.从理论上推导了当频率一定时,两种发电机的最大平均输出功率与运动幅度的关系。之后进行实验验证了理论推导:对于电磁发电机,当频率一定时,其最大平均输出功率随着运动幅度的增加一直增加,呈现出二次函数的规律;而对于摩擦纳米发电机,当频率不变时,其最大平均输出功率随着运动幅度的增加,先是快速上升,然后趋于平缓。3.在此基础上,通过对比研究,得到了两种发电机各自的优势区域。结果充分的说明了当频率越低,振幅越小,摩擦纳米发电机就越能发挥其显著优势;而当频率越大振幅越大,电磁发电机的优势也就越大。4.制作了复合电磁-摩擦能量收集器件,模拟机械振动,证明了将两部分发电机结合在一起可以协同合作互相弥补。5.最后,研究从振幅和频率两个维度绘制了一个全新的能量收集模式。展望了摩擦纳米发电机在新时代能源方面的应用前景。

关键词：摩擦纳米发电机电磁发电机小幅度机械能能量收集

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机械频率泵浦式摩擦-电磁复合发电机的研究

机械频率泵浦式摩擦-电磁复合发电机的研究

作者：叶辉长春工业大学

学位级别：硕士

社会的发展导致全球气候变暖和化石能源短缺,人类需要探索可再生能源来应对这种危机。其中,风能的储量巨大,并且前景广阔,是解决能源危机的一种途径。而风能的密度低频率低,是其发展的阻力。不断探究新的技术来更有效的收集风能是研究... 详细信息

社会的发展导致全球气候变暖和化石能源短缺,人类需要探索可再生能源来应对这种危机。其中,风能的储量巨大,并且前景广阔,是解决能源危机的一种途径。而风能的密度低频率低,是其发展的阻力。不断探究新的技术来更有效的收集风能是研究风能收集的方向。近年来,摩擦纳米发电机作为一种新的技术被许多学者研究。摩擦纳米发电机在微纳能源、自供电传感器、蓝色能源和高压电源有着广泛的应用,涵盖了医学、可穿戴电子、柔性电子、安全、人机接口及环境科学等领域。其中,微纳能源俘获方面,具有俘获高熵能源的优势,为风能俘获提供了一种全新的途径。为了高效收集低频风能,本文结合摩擦纳米发电机和电磁发电机原理提出了机械频率泵浦式摩擦-电磁复合发电机。该发电机采用多凸鼻式凸轮机构,实现了机械增频,构成了机械频率泵浦。同时,该结构将旋转运动转换为直线运动,使摩擦纳米发电机模块实现垂直接触-分离模式,降低摩擦材料的磨损。在主动件上集成交变磁场,构成电磁发电机模块。本文提出的综合设计方法为俘获风能提供了一种新思路和新的技术手段,具有可开发的应用价值。主要研究内容如下:首先,阐述了摩擦纳米发电机的理论基础,即麦克斯韦位移电流,介绍了摩擦纳米发电机基础模式及电容模型,描述了垂直接触-分离模式的电学理论。阐述电磁发电机的理论基础,即法拉第电磁感应定律,对风能与电能的转换理论进行分析。然后,对实验样机进行三维建模,从动件作为摩擦纳米发电机模块,其内外侧附有摩擦材料,收集往复全行程的能量。主动件作为增频单元并集成了电磁发电机模块。阐明了样机的工作原理和机制、物理场的仿真分析,仿真结果显示了发电单元处于不同状态时电势的差异及磁通量的变化。最后,研制出实验样机、搭建实验测试系统并进行实验测试和应用展示。通过分析增频单元与发电单元间的关系,研究对输出性能的影响。结果表明,摩擦电纳米发电机模块在增频元件的作用下,输出电信号是原来的六倍,模块的充电容速度和平均充电容功率提高了3.6倍。在主动件上集成电磁发电机模块后,将100μF电容器充电至1.50 V的过程中,样机整体充电速度是摩擦电纳米发电机模块的1.58倍。当输入转速为100 rpm时,摩擦纳米发电机模块的输出为420 V,27μA,峰值功率为1.75 m W,电磁发电机模块的输出为1.82 V,1.45 m A,峰值功率0.58 m W。对摩擦纳米发电机模块进行耐久性测试,输出信号衰减率仅为1.3%,展现出良好的稳定性。在模拟风能环境下,样机点亮640个发光二极管,还可以为温湿度计供能。

关键词：摩擦纳米发电机电磁发电机机械频率泵浦风能俘获

基于人体运动的压电-电磁混合式振动能量采集研究

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固体力学学报 2019年第5期40卷 427-440页

作者：代胡亮林时想张岚斌曾良华中科技大学力学系武汉430074 工程结构分析与安全评定湖北省重点实验室武汉430074

将人体运动产生的动能转化为可利用的电能为传感器供电一直是能量采研究中的一个热点.如何有效利用人体运动,增强环境适应能力以及提高能量采集性能仍是俘能研究中需要解决的关键问题.论文基于人体运动特性,设计了一种新型的混合式能量... 详细信息

将人体运动产生的动能转化为可利用的电能为传感器供电一直是能量采研究中的一个热点.如何有效利用人体运动,增强环境适应能力以及提高能量采集性能仍是俘能研究中需要解决的关键问题.论文基于人体运动特性,设计了一种新型的混合式能量采集器,同时具有压电和电磁转化机制.压电俘能是基于压电梁变形产生电能,电磁发电机采用堆叠磁组构型来切割线圈产生电动势.首先建立了混合式能量采集器的动力学理论模型,用来描述输出电压特性,并与实验进行了对比验证.理论与实验研究均表明,混合式俘能器的输出电压在一定激励频率范围内出现两个波峰.通过调节压电梁长度,可以改变峰值大小以及两个峰值间的频段范围.人体运动实验表明,混合式俘能器中可以在短时间内提供较高的电压输出,比如当跑步速度为5 km/h时,3 s内就可以输出1.1 V直流电压驱动传感器工作;跑步时长为30 s时,传感器正常工作时常可以达到77 s.论文设计的混合式俘能器不仅可以快速供电,还具有较强的续航能力,这为电池充电或传感器供电提供了潜在的应用价值.

关键词：压电俘能电磁发电机人体运动俘能共振频率自供电

柔性钕铁硼/有机高分子复合摩擦电材料的制备及应用研究

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柔性钕铁硼/有机高分子复合摩擦电材料的制备及应用研究

作者：宋振华兰州理工大学

学位级别：硕士

摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator,TENG),能有效的收集环境中分散的、低质量、低频率的机械能,输出的电信号具有高电压、低电流的特性。为了进一步提升发电机的输出特性,引用具有低电压、高电流输出特性的电磁发电机(Electro... 详细信息

摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator,TENG),能有效的收集环境中分散的、低质量、低频率的机械能,输出的电信号具有高电压、低电流的特性。为了进一步提升发电机的输出特性,引用具有低电压、高电流输出特性的电磁发电机(Electromagnetic generator,EMG)与其复合,就能取长补短,而且EMG可以收集环境中的高频能量,扩大了能量收集频率范围,因此就引出了摩擦电-电磁复合纳米发电机(Triboelectric-electromagnetic hybrid nanogenerator,TEHG)。本文通过刮涂法制备了三种柔性复合摩擦-电磁性薄膜,其作为摩擦电材料的同时替代了传统TEHG中的磁铁,减轻了发电机的质量,简化了结构。并以复合膜为基础设计了三种TEHG,详细研究了输出性能并开展了其在不同领域的应用研究。(1)提出了一种基于柔性钕铁硼/聚氯乙烯(NdFeB/PVC)复合薄膜的接触分离模式TEHG,用以收集环境中的机械能。在这里,将NdFeB粉末嵌入到PVC薄膜中,制得既具有摩擦电性又具有铁磁性的复合薄膜来取代传统EMG中质量比较大的磁铁。设计的TEHG中TENG在直线电机提供的3.8 N、2.1 Hz稳定输入条件下可以产生高达422 V、60.5μA的输出电信号,在外接5 MΩ的负载电阻条件下输出4.5 m W的峰值功率,EMG可以产生约0.28 V、1.4 m A的输出电信号,在200Ω的负载电阻下可提供0.11 m W的峰值输出功率。与单个能量收集单元(TENG或EMG)相比,TEHG表现出良好的稳定性,并具有较好的充电性能。在360 s内可将470μF的电容器充电达到3 V,存储的能量可以成功地为数显温湿度计和游标卡尺持续供电。(2)设计了一种基于柔性钕铁硼/乙基纤维素(NdFeB/EC)复合薄膜的旋转TEHG,包括旋转EMG和独立滑动模式的TENG,用于收集环境中的风能。制得既具有摩擦电性又具有铁磁性的复合薄膜来取代磁铁,可以大大减轻转子的重量。通过设计不同电极间隙的叉指电极,优化复合发电机的性能。电极间隙2 mm设计的TEHG中TENG单元在15.5 m/s条件下可以产生约54.83 V、5.41μA的输出电信号,在外接10 MΩ的负载电阻条件下输出99.22μW的峰值功率,EMG可以产生约0.158 V、59.27μA的输出电信号,在2300Ω的负载电阻条件下可提供2.53μW的峰值输出功率。与单独的TENG或EMG相比,TEHG表现出更好的充电性能。在600 s内可将100μF的电容器充电达到11.6 V,将470μF的电容器充电达到3.4 V,存储的能量可为微电子器件的工作提供能量。(3)提出了一种基于柔性钕铁硼/聚二甲基硅氧烷(NdFeB/PDMS)复合薄膜的TEHG,来采集环境中的机械能。用高韧性的橡胶类介电材料取代塑性介电材料,将NdFeB颗粒在介电材料中的掺杂含量提高,进而提升EMG单元的输出性能,同时保证TENG单元的性能不会下降。再通过砂纸对摩擦表面进行处理,进一步提升TENG的输出性能。设计的TEHG中TENG在直线电机提供的3.0 N、2.1 Hz稳定输入条件下可以产生高达392 V、41.52μA的输出电信号,EMG可以产生约0.33 V、1.57 m A的输出电信号。将基于磁性-介电复合膜的TEHG的整体输出性能提升,扩大其应用范围。

关键词：钕铁硼复合摩擦材料摩擦纳米发电机电磁发电机复合纳米发电机性能

基于摩擦-电磁复合式振动能量采集技术及其应用研究

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基于摩擦-电磁复合式振动能量采集技术及其应用研究

作者：曹志广西大学

学位级别：硕士

随着物联网时代的到来,传感器已成为构筑物联网基础设施的关键要素,大量的传感器将遍布世界的各个角落。然而,仅仅依靠电池来驱动这些传感器会带来更换电池困难和维护成本高等诸多问题。环境中的振动能在我们生活中随处可见,如桥梁的振... 详细信息

随着物联网时代的到来,传感器已成为构筑物联网基础设施的关键要素,大量的传感器将遍布世界的各个角落。然而,仅仅依靠电池来驱动这些传感器会带来更换电池困难和维护成本高等诸多问题。环境中的振动能在我们生活中随处可见,如桥梁的振动、树叶的振动、海上浮标灯的摆动等。振动能量作为一种清洁可再生能源,具有分布范围广、频谱范围宽、振动方向随机等特点。若能够采集环境振动能为传感器供电,有望解决未来传感器的供电问题。摩擦纳米发电机(TENG)作为一种新兴的能量收集技术,能够有效收集环境中低频能量并将其转化为电能。此外,电磁发电机(EMG)作为一种传统的收集能量的方式,具有收集高频振动能量的优势。为使振动能采集器具有更高的输出功率和更广泛的应用。本文针对环境振动能频谱范围宽、振动方向随机等特点,设计了基于对称塔状弹簧的复合式摩擦-电磁纳米发电机,用于采集全方向振动能量,具有结构简单、工作频率范围广、采能效率高等优势。具体研究内容如下:根据TENG和EMG的开路电压和短路电流的相关特性,使用COMSOL建立了TENG和EMG的仿真模型,对模型的电势和磁场等情况进行了分析。根据仿真结果和环境中自行车骑行时的振动形式,设计了一个基于对称的塔状弹簧的复合式摩擦-电磁全向纳米发电机用于多方向振动能量采集。在该结构中3个TENGs被设计成多层结构以提高器件的空间利用率。此外,将3个EMGs单元复合进来,以进一步增加器件整体的输出。之后讨论了不同线径的塔簧、不同摩擦材料、不同配重对器件的电学性能输出的影响,优化了器件的结构并提高了器件的电学输出性能。在实验中探究了器件在不同外部激励下的输出,测试得出垂直激励频率为6Hz,幅值为1.5mm时,单个TENG和EMG能实现约为65μW和6.8m W的最大瞬时功率。当激励频率为2Hz,幅值为5cm时,以不同水平方向激励器件时,测得单个TENG和EMG能达到的最大瞬时功率约为23μW和3mW,并且器件在多个方向下均有较好的输出。上述实验结果充分表明该装置在垂直与水平方向上均表现出优异的振动能量采集性能。此外,对TENG和EMG的电路连接方式进行了讨论,相对于串联,TENG与EMG之间采用并联的方式效果更好,这种方式使得器件的储能效果更好。通过在自行车上安装能量采集器用于采集自行车的振动能,并将其转化为电能为温度传感器实时供电,实现了收集自行车上的振动能与为小型传感器供电。

关键词：摩擦纳米发电机电磁发电机振动能量收集自供电环境监测塔状弹簧

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摩擦—电磁复合式高效能量采集器设计研究

摩擦—电磁复合式高效能量采集器设计研究

作者：范雪明中北大学

学位级别：硕士

近年来,随着5G技术的成熟以及不断普及,物联网技术将逐渐渗入我们生活的方方面面。然而,在物联网普及过程中,为无线监测网络节点供能成为亟待解决的问题。传统化学能电池因其使用寿命有限、环境污染等弊端,已不再适用于物联网配套电源... 详细信息

近年来,随着5G技术的成熟以及不断普及,物联网技术将逐渐渗入我们生活的方方面面。然而,在物联网普及过程中,为无线监测网络节点供能成为亟待解决的问题。传统化学能电池因其使用寿命有限、环境污染等弊端,已不再适用于物联网配套电源的发展趋势。采用将摩擦纳米发电机与电磁发电机耦合制备出具有较好的环境适应性、较大输出性能、使用周期长的新型能源采集器件,可以收集环境中机械能并将其转换为电能为传感网络供电而逐渐受到广泛关注。在自然界中存在着多种形式的机械能,包括风能、机械设备振动能、波浪能等。如果将这些分布广泛、易于转换的能量采集并转换为电能,可以满足功耗较低的电子设备的能耗需求。本文针对物联网中电子设备能源供给的实际需求,研制了不同结构的摩擦-电磁复合能量采集器。通过将摩擦发电技术与电磁发电技术集成而拓宽复合能源采集器的频响带宽。本论文主要工作如下:提出并构建了以类凸轮结构为基础,制备高效风能采集的摩擦-电磁复合能量采集器。通过将两种不同的发电技术耦合至同一器件结构中,实现能量采集器的高输出、高转换效率、宽频率响应特性。器件发电单元分别由2组摩擦纳米发电机（TENG）以及2组电磁发电机（EMG）构成。其中摩擦单元使用室温硫化硅胶作为摩擦负性材料,铝层作为正性材料,采用垂直接触-分离式结构设计很好的避免因滑动摩擦而对摩擦材料表面造成损失,从而实现器件机械性能与电学输出性能的稳定;电磁发电单元采用线圈与磁铁间隔相对旋转结构设计,通过类凸轮结构将采集到的风能转化为旋转动能,从而产生感应电流。本章所构建的能源器件既可以为商业电子产品提供电能输出,也可以为自搭建的无线监测系统在风速为12 m/s的环境下提供稳定电能输出。针对目前大多数采用辅助部件（弹簧、悬臂梁等）造成器件空间结构利用率低等问题,设计与制备了一种用于振动机械能量采集的摩擦电-电磁复合能量采集器。该发电机采用外形为尺寸为?70 mm×50 mm的圆柱体结构设计。器件俘能结构为两个上下结构对称的螺旋结构以及位于其中间的扁圆型磁铁构成,其中螺旋结构即充当磁铁支撑结构体又作为摩擦发电单元薄膜载体而工作。TENG与EMG的发电单元瞬时输出最大功率分别为0.88 mW和216.7 mW。此外,结合设计应用场景需求,选择商业用LED以及温湿度计进行实物演示。TENG与EMG单元分别可以驱动75个串联的LED和189个并联的LED正常工作。利用能源管理电路,器件可以实现持续性对两个串联的温湿度计供电。在外接振动条件下,器件可以实现无线传感监测系统自供电设计目的,并通过无线传输技术将数据传输至手机监控端。针对目前多数能量采集器采集自由度单一问题,提出并制备出具有全空间多自由度的摩擦-电磁复合能量采集器。该能量采集器采用球形结构设计,在外界负载电阻约为200 MΩ与1 KΩ,其TENG与EMG最大输出功率分别为18?W与640?W。通过对各发电单元不同激励频率下输出响应分析得知,随着外界激励频率的增加而增加,其中TENG与EMG最大输出开路电压分别为88 V和3.75 V。所构建的器件在做往复式运动过程中可以直接驱动200盏绿色发光二极管,或将电能存储至电容内持续为商用温湿度计供能。

关键词：摩擦发电机电磁发电机复合换能机械能采集