【摘 要】
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在21世纪快速发展的物联网时代,分布式传感器系统作为物联网的基础和核心,在环境信息采集和转换方面发挥着重要作用。同时,这些分布式传感器也为能源供应带来了一个巨大的挑战。机械能作为传感器工作环境中广泛存在的能量形式,是构建自供电传感器系统的重要组成部分。在众多环境能量采集的技术中,摩擦纳米发电技术因其具有轻质、结构简单、选材范围广以及在低频微弱能量采集中高效率等优点,使其成为环境机械能采集技术的重要
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在21世纪快速发展的物联网时代,分布式传感器系统作为物联网的基础和核心,在环境信息采集和转换方面发挥着重要作用。同时,这些分布式传感器也为能源供应带来了一个巨大的挑战。机械能作为传感器工作环境中广泛存在的能量形式,是构建自供电传感器系统的重要组成部分。在众多环境能量采集的技术中,摩擦纳米发电技术因其具有轻质、结构简单、选材范围广以及在低频微弱能量采集中高效率等优点,使其成为环境机械能采集技术的重要补充。自2012年摩擦纳米发电机（TENG）问世以来,其在微-纳能源采集及自驱动传感等各领域吸引了研究者们的广泛关注。目前,TENG在能量采集方面主要存在两个重要的问题:（1）由于材料之间的长期接触磨损,摩擦纳米发电机的能量输出会严重降低并使其寿命大大缩短,且在滑移式的TENG中尤为明显;（2）非接触模式的TENG可以提高机械能量的转化效率和器件的耐久性,但由于其低的表面电荷密度（＜10μC/m~2）,导致其电输出能量仍然比较低,严重限制了TENG的进一步应用。因此,本工作提出了一种悬浮滑移式电荷自激励摩擦纳米发电机（FSS-TENG）,在高的转化效率和高的器件耐久性的前提下,极大地提高非接触模式TENG的电输出性能,具有高输出、长寿命和高转化效率的优点。本文的主要工作开展如下:（1）通过引入倍压电路和自激励电极实现了器件输出的自增长,并研究了不同空气间隙、介质膜种类,和不同倍压电路以及温湿度对FSS-TENG电输出性能的影响。在0.35 mm的空气间隙下FSS-TENG的输出电荷密度达到了71.53μC/m~2,是传统非接触模式TENG的5.46倍,实现了非接触模式TENG电输出性能的新突破。（2）从理论和实验两方面分析和验证了非接触模式TENG的空气击穿模型,确定了空气击穿是影响FSS-TENG的输出电荷密度的关键因素。（3）对FSS-TENG进行10万次的稳定性测试,结果表明FSS-TENG具有极高的输出稳定性和耐久性,不存在介质膜的磨损。（4）将FSS-TENG用于微风能量的收集,在5 m/s的风速驱动下直接点亮了912盏LED灯。通过进一步的电源管理,FSS-TENG的能量利用效率提高了4倍左右,在3 m/s的风速驱动下就可以持续、稳定地为两个并联的温湿度计供电。这项工作能用于不同的微机械能采集,并为解决滑移-非接触式TENG的低电输出性能和低耐久性问题提供了有效的策略。
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