【摘 要】
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能源是工业革命纵深推进和经济社会高速发展的根本,从何处获取和怎么获取能源就成为了与每个人息息相关的问题,也是科学家最重要的研究课题之一。在过去两百年里,传统化石能源（煤,石油,天然气等）作为全球最主要的消耗能源发挥了不可估量的作用,然而化石能源的不可再生性和引发的一系列生态污染问题迫使人类必须寻求可再生清洁能源,以实现可持续发展。与此同时,物联网的不断发展,采用电池为无处不在的传感器供电已不再实际
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能源是工业革命纵深推进和经济社会高速发展的根本,从何处获取和怎么获取能源就成为了与每个人息息相关的问题,也是科学家最重要的研究课题之一。在过去两百年里,传统化石能源（煤,石油,天然气等）作为全球最主要的消耗能源发挥了不可估量的作用,然而化石能源的不可再生性和引发的一系列生态污染问题迫使人类必须寻求可再生清洁能源,以实现可持续发展。与此同时,物联网的不断发展,采用电池为无处不在的传感器供电已不再实际,开发新的能源收集技术已经成为当下最有效的方法之一。在自然界的各种可再生能源中,例如太阳能、机械能、潮汐能等,分布广泛、储量巨大的风能是最具吸引力的能源之一。迄今为止,最主要的风能收集方式是利用基于电磁感应机制的传统风力发电机将风能转化为电能。然而,繁琐的结构和高昂的制造成本严重限制了其广泛应用。因此,迫切需要在普通环境下开发成本更低、维护更容易、效率更高的风能采集技术。摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator（TENG））是基于摩擦起电和静电感应相耦合的装置,可以将机械能转换为电能。具有成本低、结构灵活性强、材料选择丰富、低频条件下输出高等优点,广泛地应用于自驱动传感、环境能源收集等方面。TENG在收集低频机械能（例如人体运动、风能、波浪能等）方面具有的独特优势,可以为智能、可穿戴电子产品提供一种新的供电方式。本论文以TENG技术为出发点、以高效收集低速风能为根本目的,研究设计了接触分离模式的TENG,为大规模收集地面附近的微风能量提供了新颖而有效的方法。主要研究工作如下:（1）设计并制作了一种高效且超耐用的风车式混合纳米发电机（An ultra-durable windmill-like hybrid nanogenerator（W-HNG））,以收集广泛分布的近地面微风能量。W-HNG由两部分组成:四个摩擦纳米发电机（TENG）单元和四个电磁发电机（EMG）单元。该装置创造性地引入弹簧钢片,充当TENG电极的同时还可以存储弹性势能并将其转换为摩擦层运动的动能,从而提高摩擦材料之间的接触强度以获得较大的电流和转移电荷量。为了优化装置的结构参数,系统地测试了弹簧钢片在不同参数时的电学输出,并在不同的风速条件下,测试了TENG单元和EMG单元的输出性能。实验结果显示,当风速为1.8 m/s-4.8 m/s,TENG的输出电压从860 V增加至1150 V,短路电流从6.8μA提高到8.5μA。当外部负载为100 MΩ时,最大输出功率达到0.95 m W;当外部负载为20Ω时,EMG可达到最大的输出功率3.7m W。经过电源管理后,W-HNG可以在3.5 s内将10μF的商业电容器充电到2 V,还可用于为电子设备供电,包括点亮LED灯和驱动数字手表等。W-HNG还可以安装在近地面形成阵列,有望实现分布式的能量采集。这项工作提供了一种简单且耐用的装置,可用于提高大规模低速风能收集的性能。（2）设计并制作了一种基于三维阿基米德螺线结构的摩擦纳米发电机（3DArchimedes spiral structure triboelectric nanogenerator（AS-TENG））用于收集微风能量。众所周知,湿度会严重影响TENG的输出性能,W-HNG虽然实现了高效地收集低速风能,但无法避免环境中的湿度影响。对此,本工作设计了具有带鳍钝体的AS-TENG可以将TENG组件完整地保护在腔体内,这种全封装结构可以屏蔽环境中各种因素的干扰和破坏。同时还利用螺线在机械平衡临界状态不稳定的特性,进一步放大了气流造成的振动幅度。本文中,利用COMSOL Multiphysics软件模拟了不同参数的阿基米德螺线在受迫振动时的位移量,并将具有最大位移量的螺旋线（N=5,Gap=8 mm,H=2 mm,W=2 mm）作为AS-TENG的组件。此外,由于弹簧钢片与钝体的结合为振动能量的收集建立了一个悬臂模型,因此,还测试了悬臂为7 cm时,不同工作频率下TENG的电学输出性能。实验结果显示,工作频率为0.6 Hz时,转移电荷量达到155 n C,短路电流可达5.2μA,开路电压约325 V。这项工作为恶劣环境下收集微风能量提供了一种新的结构,并且在自供电系统领域具有巨大的应用前景。
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