随着微电子技术和无线通讯技术的发展,物联网系统已经逐渐触及到世界的每个角落。物联网技术的普及也得益于微电子器件的功耗不断降低,但是为数量巨大且分布十分广泛的物联网传感器网络提供稳定的电力供应仍然是一个极具挑战性的任务。如果依靠传统的电能供给方案,如电缆或者电池,受限于环境或者成本限制,是无法满足它的需求。而因地制宜的利用环境中存在的能量(如水能、太阳能、热能等),通过新型能源收集技术实现电能的稳定供给是一个可行的方案。摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator,TENG)自王中林院士课题组首次研制成功以来,作为一种新型绿色能源收集技术,吸引了广泛的关注。摩擦发电机技术是通过不同材料之间的接触引起电荷转移,进而形成可变电场,驱动电路中的电荷移动而形成电流。摩擦纳米发电机具有成本低廉,结构简单,材料来源广泛等优点,可以有效收集水能、风能、海洋能和生物能等。然而,摩擦纳米发电机也存在输出性能易受环境影响,自身内阻较大,输出电流低等需要解决的问题。本文通过将摩擦纳米发电机与电磁感应发电机结合,设计了两种结构的复合发电器件。为了实现对环境机械能更高的转换效率,文中不仅探讨了复合器件的工作机理,还通过仿真软件进行了输出性能模拟。在对器件结构优化之外还进行了多种面向实际应用的实验。具体内容如下:(1)构建了一种易于封装的摩擦-电磁复合纳米发电机,摩擦发电组件与电磁发电组件的有机结合使器件从低频到高频范围都具有良好的输出性能。在接受外界机械能输入的方式上,采用了基于磁耦合力的无接触式连接方式,使得整体结构易于安装拆卸且可以完全密封,通过在干燥环境中封装,使器件输出性能提高了20%。为了有效的收集水管中的水流能量,3D打印了水轮机组件与水管连接,在流速为6L/min的水流下,水轮机带动的复合发电机可以有效驱动温/湿度计工作。通过对输出信号分析,该器件也可以作为自供能传感器检测水管中的水流流速与风速。(2)设计了一种可以实现双倍转速的电磁-摩擦复合纳米发电机。它主要有多个圆筒上下嵌套而成,在圆筒之间分别安置摩擦材料、磁铁或者感应线圈,构成了两个摩擦纳米发电单元和一个电磁感应发电单元,嵌套结构可以显著提高器件输出功率密度。当在器件两端分别输入顺时针和逆时针的旋转机械能,相邻的圆筒会以相反的旋向转动,使发电单元实现相对转速成倍增加的效果,在500rpm的转速下,两个摩擦纳米发电单元的输出功率分别为0.5mW和2.32mW,同时电磁感应发电单元的输出功率为13mW。在未来的应用中,复合发电器件可以驱动温度传感器和漏水传感器工作,实现对管道系统的有效监测。此外,基于该器件搭建的金属防腐蚀系统可以有效减缓金属部件的腐蚀,在管道系统防腐蚀中具有很大的应用潜力。