基于摩擦纳米发电机的热能采集与传感装置

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近年来,我国政府高度重视发展低碳环保、环境友好型经济,要求在保障经济发展的同时节约能源、减少内耗,以缓解能源短缺的问题。在此背景下,节能环保成为社会发展的重要内容之一,而热能转换技术作为节能减排的关键技术因此获得广泛关注。在工业生产过程中产生的集中式余热能源有较为成熟的商业化回收措施,主要方法有热交换技术、热功转换技术、余热制冷制热技术等。但针对生产生活中广泛存在但分布分散的低温余热能源,诸如:非集中式的电器余热,废气,太阳能等,目前还没有系统性的采集方案。如果无视这些分布分散的低温余热,不加以回收利用,无疑是一种巨大的浪费。近年来,摩擦纳米发电机(TENG)作为一种新兴的分布式能源技术,在能量采集领域具有广泛的应用。这项技术能够灵活地,低成本地,持久地从环境中采集潜在能量,有望为分散的余热能源采集领域提供综合性解决方案。为此,本文首先基于TENG提出了一种结合居里效应的余热采集方案,为采集环境中的分散式余热提供新的思路,并且设计了一种能够利用热能驱动的基于TENG的自反馈智能薄膜,具体研究内容如下:(1)根据磁性材料在居里温度附近出现退磁的特性,利用硬质单摆结构产生机械摆动,进而带动TENG实现接触分离,实现热能-机械能-电能的转换。整装置的工作温度由磁性材料决定,采用镍作为磁性材料构建能量转换-采集系统时,装置的最大峰值功率能够达到1.34 m W,在1分钟内能够将4.7μF的电解电容的电压提升至3 V。该能量转换-采集装置证明了基于居里效应和摩擦电效应进行热能采集的可行性,为构建新型热能采集装置提供了新思路。(2)基于材料在热环境中受热膨胀的特性,以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、炭黑和聚二甲基硅氧烷(PDMS)为原料,设计了一种能够在80℃热环境下产生约840°弯曲形变的薄膜器件。与环境物体发生接触时,该薄膜器件可作为单电极工作模式的TENG产生峰值5 V的电信号反馈,当其在平面上运动时能够产生峰值为3.7 V的实时运动反馈。在此基础上,设计了一种具有反馈机制的机械夹持器,其能够利用热能工作,实现对轻重量物体的抓取和操纵,并产生峰值4.5 V的实时反馈。该薄膜器件在实现机械记忆效果的同时,还能够在经历复杂恶劣环境后保持良好的工作稳定性,从而保证了使用场景的多样性。该器件利用热能驱动并实现了运动、信息采集和信息反馈的一体化,为热能利用提供了一种创新和可行的策略。
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