【摘 要】
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广泛分布的海洋传感节点是海洋物联网技术的基础,然而这些节点供电方式主要以电池供电为主,其面临电池寿命有限、更换成本高等问题,亟需研究环境能量收集技术,以实现海洋传感节点的自供能。海洋波浪能作为一种可再生能源,具有分布广泛、能源密度高等优势,是一种理想的传感器能量供给来源。为此,本文利用新兴的摩擦纳米发电原理,创新性地提出了一种多轨道式摩擦纳米发电机(Multi-tunnel triboelectr
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广泛分布的海洋传感节点是海洋物联网技术的基础,然而这些节点供电方式主要以电池供电为主,其面临电池寿命有限、更换成本高等问题,亟需研究环境能量收集技术,以实现海洋传感节点的自供能。海洋波浪能作为一种可再生能源,具有分布广泛、能源密度高等优势,是一种理想的传感器能量供给来源。为此,本文利用新兴的摩擦纳米发电原理,创新性地提出了一种多轨道式摩擦纳米发电机(Multi-tunnel triboelectric nanogenerator,MT-TENG)。MT-TENG可以将海洋中的波浪能转化为电能输出,持续为海洋传感节点供电。本文设计的MT-TENG由多轨道盖板、铜电极和聚四氟乙烯(Polytetra fluoroethylene,PTFE)小球组成。PTFE小球在波浪激励下在轨道结构内做往复运动,两侧的铜电极交替产生感应电荷,驱动电子在外电路中流动,从而产生交变电流输出。为了获得高性能MT-TENG,本文通过波浪摸拟实验台,系统研究了MT-TENG的输出特性,主要研究内容与结果如下:(1)通过实验研究了单元结构和运动条件对MT-TENG的输出特性,单元结构包括PTFE小球的直径和数量,运动条件包括运动频率、振幅和角度。结果表明,PTFE小球数量在近乎铺满单片铜电极时输出最高。随着运动幅度增加输出也增加,其上升的趋势趋于平缓。在运动频率为2Hz振幅为130mm时,短路电流可达4.1μA,转移电荷量可达0.4μC。(2)基于控制变量的思路,本文将MT-TENG发电单元与无轨道结构摩擦纳米发电机发电单元进行了一系列的比较,验证了多轨道的结构确实能提升摩擦纳米发电机的输出性能。研究结果表明,MT-TENG发电单元的峰值功率密度达到8.3W/m~3,这比无轨道TENG提高了5倍。(3)研究了MT-TENG的电容充电特性。在充电220s,47μF的电容两端电压达到3V可以为温度传感器供电。进一步地本文还对MT-TENG进行了工作耐久性测试,结果显示其在数天的时间内输出性能未发生明显的下降,表现出了良好的耐久性。本文设计的MT-TENG通过紧凑的多轨道结构使得发电单元输出显著提高,并且能够与海洋浮体相结合。MT-TENG有望成为一种新型的电能供应器件,在海洋智能传感网络和海上运输安全警示等领域具有广阔的应用前景。
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