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卜灵:摩擦纳米发电机的冲击复合方法实现瓦特级平均输出功率【NE,2020】
2020-07-10   科技处  责编:王晓佳  阅读1257次
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dnf私服发布网 www.phemphat.com 摩擦纳米发电机是一种新能源器件技术,利用电子亲和势不同的材料之间的接触起电和静电感应,能够高效地将摩擦能转换为电能,广泛应用于可穿戴式电子设备、无线传感器网络节点的自主供电。但是,摩擦纳米发电机的输出电压具有间歇性尖峰特征,即摩擦过程中迅速达到峰值,摩擦结束后迅速下降并保持为零,导致平均输出功率较低,同时也给后级电路和负载造成较高的电压应力。

针对上述关键问题,我校信息工程学院卜灵老师在长期研究的基础上,提出了一种摩擦纳米发电机的冲击复合新方法,开展了器件的设计、研制和验证工作,将器件的平均输出功率提高至瓦特级。该研究的创新性成果为:

1. 提出一种冲击复合新方法,冲击作用时摩擦界面发生离面接触输出摩擦电压,同时压电薄膜产生大变形,冲击结束后压电薄膜高频自振输出压电电压,两种电压在不同时段协同提高器件的平均输出功率;

2. 研制出采用上述新方法的复合式摩擦纳米发电机器件,设计刚性梁动子-柔性梁定子的接触结构,将压电薄膜内嵌于柔性梁定子内,器件可以实现m动子-n定子的多重化组态,进一步提高器件的平均输出功率;

3. 通过优化刚性梁动子-柔性梁定子的重叠长度、接触角度和厚度参数,1动子-1定子组态在最优负载上产生91.1V的开路输出电压,与未采用冲击复合方法相比,平均输出功率提高了7.7倍;

4. 9.38Hz的低频激振条件下,器件的3动子-4定子组态具有最优输出功率,整流后获得最低12.1V、最高51.6V的脉动直流电压,平均输出功率达到1.04W,满足绝大多数中低功耗电子器件的功率要。

1 复合式摩擦纳米发电机的设计与实现:(a)器件的接触-滑动-分离模式,其特征在于分离后柔性定子高频自振;(b)定子的层转结构;(c)器件的三维设计图;(d)柔性定子照片;(e)实验装置图;(f)图形化动子照片;(g)微孔隙聚四氟乙烯摩擦界面的扫描电镜照片,插图为微孔隙的局部放大。

 

2 复合式摩擦纳米发电机的多重化组态输出特性:(a)1动子-n定子组态的瞬时电压波形;(b)n动子-1定子组态的瞬时电压波形;(c)电压峰值与动子、定子数关系;(d)平均功率与动子、定子数关系;(e)多重化组态的整流电路;(f)3动子-4定子组态的整流电压波形;(g) 3动子-4定子组态的阻抗特性。

上述研究成果发表于能源领域国际著名期刊《Nano Energy》上:Ling Bu*, Zhangxiong Chen, Zhewei Chen, Lanxing Qin, Fan Yang, Kun Xu, Jiarong Han, Xiaohong Wang*, 2020. Impact induced compound method for triboelectric-piezoelectric hybrid nanogenerators to achieve Watt level average power in low frequency rotations. Nano Energy, 70: 104500. [IF=15.548]

全文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285520300574

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