【摘要】：隨著能源危機(jī)的加重,尋找一種可以轉(zhuǎn)化環(huán)境中清潔能源的方法顯得很迫切,最近,摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)在收集環(huán)境中低頻機(jī)械能方面展現(xiàn)出巨大的潛力,這主要取決于其獨(dú)特的工作機(jī)制。最近有許多利用TENG收集水波能的研究工作,水汽的干擾會(huì)嚴(yán)重影響TENG的輸出性能,所以必要的封裝會(huì)有助于提升能量轉(zhuǎn)化效率。為了更高效地收集水波能,一些研究工作將電磁發(fā)電機(jī)(EMG)結(jié)合到復(fù)合器件中來實(shí)現(xiàn)寬頻帶的能量收集。風(fēng)能和雨滴能是自然界中常見的能源,盡管收集風(fēng)能的EMG較為成熟,但成本較高。近年來,因成本低廉、功率密度高等優(yōu)勢,TENG在收集雨滴能和風(fēng)能等方面有著巨大的潛力。然而,變化的風(fēng)向和雨滴較弱的機(jī)械沖擊力限制了風(fēng)能、雨滴能的高效收集。已有同時(shí)收集風(fēng)能和雨滴能的TENG,但器件結(jié)構(gòu)仍有待優(yōu)化。基于以上研究現(xiàn)狀,本文的主要工作是設(shè)計(jì)一種收集水波能的海洋電力系統(tǒng),同時(shí)將從水波能轉(zhuǎn)化的電能應(yīng)用于海水淡化。另外一項(xiàng)工作是設(shè)計(jì)一種同時(shí)收集環(huán)境中風(fēng)能、雨滴能的復(fù)合器件,有望用作自驅(qū)動(dòng)風(fēng)雨報(bào)警器。論文包括兩部分的工作,主要的研究內(nèi)容如下:第二章,介紹了用于收集海洋水波能量的船型電磁摩擦復(fù)合納米發(fā)電機(jī)(SHNG),TENG與EMG可以同時(shí)利用兩種不同的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制。SHNG由三部分TENG和一部分EMG組成。在2 Hz的工作頻率下,接觸分離TENG在20 MΩ的電阻負(fù)載下可產(chǎn)生約800μW的峰值功率。并且在100Ω的電阻負(fù)載下,EMG的峰值功率達(dá)到9 mW。關(guān)于電容的充電電壓方面,與單個(gè)TENG或EMG相比,SHNG可以實(shí)現(xiàn)更高的充電電壓和更快的充電速度。變壓器降低TENG的阻抗以實(shí)現(xiàn)TENG和EMG的阻抗匹配。SHNG已被實(shí)驗(yàn)?zāi)苡行У氐Ｋ?3小時(shí)后海水淡化率達(dá)到29.4%。SHNG已被測試可用作數(shù)字溫濕度計(jì)供電的功率源。除此之外,它還可以驅(qū)動(dòng)射頻發(fā)射器來建立無線定位系統(tǒng)。這項(xiàng)工作提出了一種有效的方法來捕獲藍(lán)色能源,同時(shí),獲取更多的海上飲用水和實(shí)現(xiàn)海上救援工作都有望通過SHNG實(shí)現(xiàn)。第三章介紹了一種可以同時(shí)收集風(fēng)能和雨滴能的復(fù)合摩擦納米發(fā)電機(jī)(WR-TENG),WR-TENG包括用于捕獲風(fēng)能的獨(dú)立層模式TENG和用于捕獲雨滴能的接觸分離模式TENG。為了適應(yīng)變化的風(fēng)向,設(shè)計(jì)了一種風(fēng)向標(biāo)式的摩擦納米發(fā)電機(jī)(W-TENG),它可以適應(yīng)時(shí)常變化的風(fēng)向和風(fēng)速。收集雨滴能的摩擦納米發(fā)電機(jī)(R-TENG)采用氣囊式的設(shè)計(jì)以保護(hù)內(nèi)部的電極,這種獨(dú)特的氣囊具有較好的彈性回復(fù)作用。除此之外,W-TENG位于R-TENG下方來避免兩者的相互干擾。該項(xiàng)工作提出一種基于TENG的新穎的風(fēng)能、雨滴能同時(shí)收集的方法,此外,在監(jiān)測環(huán)境方面展現(xiàn)出良好的潛力,這將為電能缺乏的荒郊野外的工人提供便利。
【學(xué)位授予單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM31;TP212.9
【圖文】：

圖 1-1 TENG 隨著接觸周期的增加，輸出電流也隨之增加1.3 摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作原理1.3.1 垂直接觸-分離工作模式垂直接觸-分離模式的 TENG 基本結(jié)構(gòu)和工作機(jī)制如圖 1-2 所示，對于接觸分離式TENG 來說[14-17]，其基本的結(jié)構(gòu)是兩個(gè)不同的介電薄膜面對面的堆疊。在兩個(gè)介電薄膜的背面各有一個(gè)金屬電極，對于介電薄膜的選擇是多樣性的，圖 1-3 給出常見材料的摩擦序列，這也就表明了材料在相互接觸摩擦?xí)r俘獲對方電子的能力。通過這個(gè)表格我們也可以得到兩種不同材料在相互接觸分離后所帶的電荷的正負(fù)。隨著 TENG 被不斷地深入研究，我們也可以通過實(shí)驗(yàn)合成一些性能更好的摩擦材料，材料的多樣性也會(huì)滿足結(jié)構(gòu)的多樣性，對于電極的選擇也是多樣性的，而且導(dǎo)電材料也是比較常見的。在圖 1中也列出了許多的導(dǎo)電材料，當(dāng)然我們也可以通過實(shí)驗(yàn)合成一些導(dǎo)電材料或者對其改性�？偠灾瑹o論摩擦材料還是電極材料都具有很多的選擇性。

圖 1-1 TENG 隨著接觸周期的增加，輸出電流也隨之增加1.3 摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作原理1.3.1 垂直接觸-分離工作模式垂直接觸-分離模式的 TENG 基本結(jié)構(gòu)和工作機(jī)制如圖 1-2 所示，對于接觸分TENG 來說[14-17]，其基本的結(jié)構(gòu)是兩個(gè)不同的介電薄膜面對面的堆疊。在兩個(gè)介膜的背面各有一個(gè)金屬電極，對于介電薄膜的選擇是多樣性的，圖 1-3 給出常見材摩擦序列，這也就表明了材料在相互接觸摩擦?xí)r俘獲對方電子的能力。通過這個(gè)表們也可以得到兩種不同材料在相互接觸分離后所帶的電荷的正負(fù)。隨著 TENG 被不深入研究，我們也可以通過實(shí)驗(yàn)合成一些性能更好的摩擦材料，材料的多樣性也會(huì)結(jié)構(gòu)的多樣性，對于電極的選擇也是多樣性的，而且導(dǎo)電材料也是比較常見的。在圖中也列出了許多的導(dǎo)電材料，當(dāng)然我們也可以通過實(shí)驗(yàn)合成一些導(dǎo)電材料或者對性�？偠灾瑹o論摩擦材料還是電極材料都具有很多的選擇性。

圖 1-3 常見材料的摩擦序列接觸-分離型 TENG 的工作過程是周期的接觸和分離，我們通常研究其在一個(gè)周的工作機(jī)制。在開始狀態(tài)下，介電材料 A 和介電材料 B 的表面并沒有電荷產(chǎn)生， A 和電極 B 之間沒有電勢差的存在。如圖 1-2 中狀態(tài)Ⅰ所示，當(dāng)給兩個(gè)表面外側(cè)施個(gè)機(jī)械力的作用后，介電材料 A 的表面會(huì)和介電材料 B 的表面相互接觸，介電材料 B 的表面會(huì)帶上相反的電荷，當(dāng)然這個(gè)過程需要外力做功來完成。摩擦電序列是根料的得失電荷的能力來排列的。在這里我們假設(shè)介電材料 A 的電負(fù)性較強(qiáng)，如圖 1狀態(tài)Ⅰ所示，兩個(gè)表面帶有等量的異種電荷。在這里需要說明的是，介電材料一般高分子的聚合物材料，這種材料的絕緣性很好，所以材料表面的電荷可以保持很長間，這些電荷在表面可能存在幾個(gè)小時(shí)或者長達(dá)幾天。盡管在該狀態(tài)下材料 A 和材 表面有大量的相反電荷，但是它們處在同一平面內(nèi)。在該情況下，電極 A 和電極間依然沒有電勢差的存在。當(dāng)介電材料 A 和介電材料 B 的表面由于機(jī)械力的作用分離時(shí)，在介電材料 A 和介電材料 B 的表面之間會(huì)形成一個(gè)空氣間隙，也就是圖 1

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