随着能源危机的加剧和全球气候变暖,对环境中水能进行收集成为能源俘获领域的重要研究课题。然而,低频条件下发电性能较弱的电磁发电机难以适应具有低频、低幅及随机性强等特点的水文环境。摩擦纳米发电机在低频环境下展现了优异的性能,引起了能量收集研究领域的广泛关注。本课题以解决由环境水波运动的低频、随机所导致的摩擦纳米发电机输出性能受限、不可控这一领域关键问题为出发点,提出一种利用储能机构和能量调控机构相配合的机械调节式摩擦纳米发电机研究新思路,实现对无序水波能的有序可控收集。本文主要研究内容如下:本文通过介绍摩擦纳米发电机的基础理论,揭示其内在的物理机制。结合摩擦纳米发电机的分类,选取垂直接触-分离模式及独立层模式的摩擦纳米发电机并对其电学输出特性进行分析。针对水能量的低频性和随机性,结合凸轮机构的传动特性及摩擦纳米发电机的输出特性,分析激励参数与发电机结构参数对其输出性能的影响,阐明机械调节式摩擦纳米发电机的设计思路。结合机械调节式摩擦纳米发电机的设计思路,通过对摩擦纳米发电机基础设计理论与方法进行分析,分别提出了机械增频式与机械可控输出式两种摩擦纳米发电机的有效设计方案,通过对发电机结构本体中各部分结构形式、几何参数以及发电机结构间耦合关系的分析,确定两种机械调节式摩擦纳米发电机各结构部分最终的结构类型及结构尺寸等参数,利用多物理场有限元仿真方法完成样机的机械结构设计。根据两种机械调节式摩擦纳米发电机的结构设计,研制两种发电机的实验样机。搭建用于测试样机输出特性的测试系统,并通过实验测试系统进行样机的电压特性、电流特性、调控特性、功率特性等输出特性的实验研究,并开展机械增频式和机械可控输出式摩擦纳米发电机应用展示的研究。实验结果表明:用于水能收集的机械增频式摩擦纳米发电机的开路电压达到85 V,短路电流达到3.8μA,峰值功率可达225μW,同时展示了在水流驱动下为用电器件供电的能力;用于水能收集的机械可控输出式摩擦纳米发电机的开路电压为350 V,短路电流为12μA,峰值功率可达2.52 m W,在模拟波浪驱动条件下可为375个发光二极管供电或实现为温湿度传感器的供电。该研究验证了设计的机械结构既可以通过提升发电单元运动频率的方式有效提升摩擦纳米发电机的性能输出,也可以通过调节发电单元运行过程的方式实现摩擦纳米发电机的性能调控。