大量無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的能量供給是目前限制物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展的一個瓶頸.作為新型能量收集技術,摩擦納米發(fā)電機在環(huán)境能量收集方面有著顯著優(yōu)勢,為解決無線傳感節(jié)點供電問題提供了技術思路.本文基于摩擦納米發(fā)電機和風致振動原理,提出并系統(tǒng)研究了一種薄膜拍打型摩擦納米發(fā)電機（FF-TENG）,實現(xiàn)了風能高效收集.本文采用仿真軟件分析了薄膜拍打過程中的電場分布,利用流場顯示方法展示了薄膜的運動狀態(tài).同時,研究了薄膜材料、風速、薄膜長度、薄膜串聯(lián)對FF-TENG輸出性能的影響規(guī)律.研究發(fā)現(xiàn):隨著風速提高,薄膜拍打頻率增加,摩擦納米發(fā)電機輸出的短路電流增大,而輸出電壓和轉移電荷量在風速超過4.7 m/s之后保持穩(wěn)定.隨著薄膜長度的增加,其拍打頻率降低較快,單位長度上的發(fā)電性能呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律.在雙薄膜FF-TENG實驗中,上游薄膜的擾動導致下游薄膜的拍打幅度更大,這使得兩個短薄膜的輸出電壓比單個長薄膜提升了45%.通過演示實驗,本文設計的薄膜拍打型摩擦納米發(fā)電機成功地驅動了溫度傳感器,并點亮了至少300盞LED燈,表明其在無線傳感器供電領域有著廣闊的應用前景. 

【文章來源】：中國科學:技術科學. 2021,51(06)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：15 頁

【部分圖文】：

(網(wǎng)絡版彩圖) FF-TENG器件結構示意圖

此處以PTFE薄膜與鋁箔電極充分拍打之后的狀態(tài),即PTFE上的靜電荷分布已經(jīng)達到飽和狀態(tài)為例,由于PTFE是駐極體,具有極佳的絕緣性,可認為其所帶的負電荷不會丟失.在圖3(a)-I狀態(tài)時,薄膜處于中間位置,電場處于平衡狀態(tài),兩側電極所帶正電荷數(shù)量相等且二者之和與PTFE所帶負電荷相等.電極的電勢差為零,但是電流達到最大值,對應圖3(b)-I;當PTFE薄膜向左側移動時,兩側電極之間產(chǎn)生電勢差,右側電極的正電荷向左側電極轉移,直至PTFE薄膜與左側電極接觸,此時兩側電極的電勢差達到最大值,當PTFE向右側運動時,電流方向改變,即圖3(a)-II和圖3(b)-II.PTFE再次回到中間位置III時與狀態(tài)I類似.PTFE薄膜在電極之間往復拍打,產(chǎn)生交變電信號.圖3 (網(wǎng)絡版彩圖) FF-TENG電荷轉移過程.(a)薄膜拍打過程;(b)單周期電流信號

圖2 (網(wǎng)絡版彩圖)配置不同電介質(zhì)薄膜材料的FF-TENG輸出電壓對比基于FF-TENG發(fā)電原理,可將摩擦副的每個接觸面視為節(jié)點,簡化為等效電容模型[41],如圖4所示.

【參考文獻】：
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本文編號：3377634