摆式摩擦发电机非线性机电耦合建模研究

面向摆式摩擦发电机结构优化设计需求,开展非线性机电耦合建模与参数敏感性分析,以推动其向工程实用化方向发展.在摩擦发电机理分析的基础上,构建等效电容拟合函数;结合能量原理和等效电路法,建立了考虑摆角非线性变化的机电耦合模型.利用谐波平衡法,解析求解摆式摩擦发电机的周期稳态输出,并判断结果稳定性.结合数值积分和动态测试两种手段,验证谐波平衡分析的准确性.与线性模型结果进行深入对比,并考察了不同设计参数对摆式摩擦发电机输出特性的影响.考虑非线性效应,模型预估的工作带宽显著增加(相对增量83%).文章提出的机电耦合模型能够有效避免线性模型对工作带宽的低估问题,显著提升输出性能估计的准确性;增加激励幅值、降低系统阻尼或减小电极夹角,均有助于提升摆式摩擦发电机的输出表现;在实际设计时,需综合考虑间隙长度和摩擦力幅值,以使摆式摩擦发电机输出表现处于较优状态;构建多种拟合模型用于表征设计参数与输出性能的关系,可作为摆式摩擦发电机输出性能设计的依据.

引信用气流驱动振动摩擦发电机

针对基于涡街效应的气流驱动摩擦发电机存在高速下输出电能降低或不工作的问题,提出气流驱动振动摩擦发电机。该种发电机以两块平行设置的电路板为上下电极,一片聚四氟乙烯薄膜为中间振动膜,气流通过上下电极一排斜置进气孔,驱动聚四氟乙烯薄膜在上下电极之间振动产生静电感应而发电。仿真与吹风实验结果表明,该种发电机不仅可克服基于涡街效应的气流驱动摩擦发电机存在高速下输出电能降低的问题,而且还可提高气流驱动摩擦发电机的输出性能。输出电压峰值可达20 V以上,能满足微功耗电引信对电能的需求。

基于COMSOL环形独立层式摩擦发电机的仿真探究

借助COMSOL Multiphysics数值软件,分析了环形独立层式摩擦发电机在独立层(PTFE)与电极(铜片)相对运动中电势分布、开路电压特性。探索了电极间距、独立层与电极间距、独立层宽度等因素对发电机输出性能的影响,分析了发电机运行时等效电容的变化。结果表明:增大电极间距、减小独立层与电极间距会提高输出性能。最后,探究了轴向阵列对单元性能的影响。结果表明轴向阵列排布会降低单元的最大开路电压,对非端部位置单元的影响更为明显。

基于滑模理论的摩擦发电机转子斩波调速方法研究

为了提高摩擦发电机斩波调速的响应效率和稳定性,引入滑模理论对摩擦发电机转子斩波调速进行控制。构建摩擦发电机转子斩波状态空间模型以及双闭环斩波调速的动态控制模型;分析发电机转子斩波回路双闭环特征;通过电流环和速度环对转子斩波调速进行控制;结合滑模控制器提高转子电流与速度动态响应性能;依据积分型切换函数降低负载转矩扰动,完成电机参数的动态控制。实验表明,摩擦发电机转子斩波调速系统机械特性会随着转差率的变化而产生变化,滑模变结构控制器可提高转子斩波调速的动态性能,使其抗干扰性增强,抖振降低。

面向高性能摩擦纳米发电机的电介质材料

摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator,TENG)作为微纳电源或自取能传感器近年来在多领域表现出广阔的应用潜力.TENG的输出性能提升与作为摩擦起电层的电介质材料接触起电特性密切相关.本文首先介绍了TENG及其电介质摩擦起电层的相关基础理论和模型;其次,阐述了TENG电介质材料的选材、改性(表面改性、体改性)和结构设计策略,其中表面改性和体改性涉及表面粗糙度控制、官能团调控、电介质材料介电参数优化,在电介质的结构设计方面,重点介绍了电荷传输层、捕获层、阻挡层的原理及通过多层结构来提高TENG介电性能的典型方法;最后,强调了本领域发展面临的挑战和未来发展趋势,为面向高性能TENG的纳米电介质材料开发提供参考.

通过案例教学促进研究生思维创新——以摩擦纳米发电机的诞生与应用为例

研究生在获得专业知识的同时,还需要结合文献阅读与实验现象,提出具有创新性的科研问题,并以此为基础设计出解决这些问题的实验方案,案例教学在此过程中可以发挥关键作用。本文以摩擦纳米发电机的诞生及应用为实例进行教学探讨,旨在剖析如何有效发现问题以及在这一过程中运用求异和迁移思维,以期激发研究生运用这些思维方式去挖掘新颖独特的科研问题,并进一步规划实验路径以验证和解答这些问题,从而为研究生完成学术论文奠定良好的基础。

冲击式波浪能摩擦纳米发电机的设计与半物理实验

提出并设计了一种基于冲击式空气透平的波浪能摩擦纳米发电机,将其应用于振荡水柱波浪能转换装置中,能够将低频的海洋波浪能高效转换为电能。详细阐述了该发电机的结构与工作原理,搭建了两个实验平台,分别进行了电极参数优化实验和电学输出性能实验。实验结果表明,利用聚四氟乙烯作为电极的介电材料,其电学输出性能最优,聚四氟乙烯的厚度越大,电学性能输出越好。当发电机电极角度逐渐减小时,短路电流呈上升趋势。设计并制造了冲击式波浪能摩擦纳米发电机,进行了单风向半物理仿真实验。研究了不同风速下的电学输出性能,并进行了电容充电实验。通过电路设计驱动点亮了33盏LED。验证了冲击式波浪能摩擦纳米发电机的可靠性以及对小型传感器供能的潜力。

用于人体运动姿态监测基于IL@PDMS复合膜的摩擦电纳米发电机

摩擦电纳米发电机(TENG)在自供电可穿戴领域得到了广泛关注,通过材料修饰及制备工艺优化可实现对人体运动姿态的监测。研制了一种可用于人体运动姿态监测的TENG。一方面基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)引入高介电性离子液体(IL),制备了IL@PDMS复合膜作为摩擦层,有效提高了摩擦电输出性能;另一方面,基于光刻微电子机械系统(MEMS)工艺及模板转移技术对IL@PDMS复合膜表面进行金字塔微结构修饰,实现摩擦效应的增强。与纯PDMS膜相比,IL的引入可使摩擦电输出电流及输出电压分别提高近4倍和6倍;另外,表面微结构的修饰也使得输出电流及输出电压分别提升近1.5倍和0.7倍。此外,当工作10 000个周期后,摩擦电输出性能仍保持不变。实验表明,当将IL@PDMS-TENG贴附在手指上时,实现了对人体运动姿态的有效监测。该研究为可穿戴人体运动传感器提供了新的技术路径及应用前景。

低频小振动能量收集的伞型摩擦纳米发电机

针对摩擦纳米发电机功率密度低、触发难、耐久度差的问题,该文设计一种伞型摩擦纳米发电机(umbrella-shape triboelectric nanogenerator,U-TENG)用于收集低频小振动能量。U-TENG以纸基作为连接机构,使上下伞叶在振动环境中进行有序开合,可以有效增加摩擦层数量、增大接触面积、改善接触面的贴合效果。另外,在摩擦电单元的设计上,通过叠放氟橡胶提高导电层上的感应电荷量,以优化电能输出性能。实验结果表明:当两个摩擦电单元并联运行时,UTENG的最大短路电流和开路电压分别能够达到125.9μA和804 V;在低频小幅振动下其瞬时功率密度最高达到509.3 W/m^(3);U-TENG可以收集环境中不同形式的振动能,以收集脉冲式振动的能力尤为突出,最多可驱动960个LED灯。该方法可为环境中低频振动能的高效捕获提供思路。

高强度耐低温离子水凝胶的制备及在摩擦纳米发电机中的应用

摩擦纳米发电机(TENG)作为一种新型可持续的能量收集设备,具有自供电、高输出、低成本、灵活性和轻量化等优点。然而,传统TENG的电极材料为金属薄膜、碳片和液态金属等,存在可拉伸性差、导电性差且在低温无法工作等缺点。文中将氯化锌(ZnCl_(2))、磺基甜菜碱(SBMA)、纳米纤维素(CNC)和柠檬酸(CA)引入聚丙烯酸(AA)基体中,制备了具有优异力学性能(拉伸强度2.16 MPa、断裂伸长率382%)、抗疲劳性、导电性能(9.3 mS/cm)、抗冻性能(-75℃)和保水性能的离子水凝胶材料。基于该离子水凝胶所制备的TENG具有良好的可拉伸性、抗冻性(-50℃)和稳定的输出电压(60 V),能够将人体运动产生的机械能转化为电能,并成功点亮了39个LED灯。因此该水凝胶基TENG在能量收集领域展示出巨大的发展潜力,具有广阔的应用前景。

聚四氟乙烯掺杂对弹性基摩擦纳米发电机输出性能的影响

弹性摩擦纳米发电机可以将弹性形变的机械能转换为电能,但是弹性材料在发生弹性变形时由于其接触面积减小等原因,导致电输出性能降低,而弹性摩擦纳米发电机被认为是弹性能量收集与输出装置的理想模式。文中采用常规自然发泡的方法制备出弹性多孔聚氨酯摩擦电材料,并通过均匀和梯度掺杂的方式掺入介电材料聚四氟乙烯来提升电输出性能。聚醚多元醇和异氰酸酯比例为2:1且聚四氟乙烯掺杂含量为3%时,均匀掺杂弹性多孔摩擦纳米发电机的转移电荷量、开路电压和短路电流达到最大值52 nC,133.6 V和1.3μA;梯度比例为3:1时,在相同条件下,梯度掺杂弹性多孔摩擦纳米发电机的转移电荷量,开路电压和短路电流较均匀掺杂弹性多孔摩擦纳米发电机分别提升了32.65%,33.33%和9%。通过有限元电势分布模拟和相互作用电动力学理论推导,验证了梯度掺杂较均匀掺杂的摩擦纳米发电机电输出性能有较强的提升作用。为弹性多孔聚氨酯摩擦电材料的设计与制备提供了新思路。

基于固-液摩擦纳米发电机的海洋红外对射自供能发电胶囊

为了实现海上电子围栏中红外对射装置的自供能,同时降低供电成本和简化安装,设计了一种基于固-液摩擦纳米发电机的海洋红外对射自供能发电胶囊。对摩擦纳米发电机发电胶囊(PC-TENG)进行仿真电学分析与0.02~2.00 Hz工况下的实验,验证了PC-TENG可以将波浪能转换为电能。仿真模拟的最大电势为3.2 V,基于去离子水的PC-TENG最大短路电流和开路电压分别为27.38μA和2.84 V。为了提高装置的实用性和输出性能,采用更接近海水的摩尔分数4%的氯化钠溶液作为液体摩擦材料进行对比实验,最大短路电流和开路电压分别为21.62μA和2.08 V,验证了使用海水作为液体摩擦材料的可行性。最后,进行了耐久性测试,基于去离子水的PC-TENG短路电流和开路电压分别衰减了5.5%~6%和3%~4%,基于摩尔分数4%的氯化钠溶液的PC-TENG短路电流和开路电压均衰减了6%~7%,验证了发电的耐久性,为海上电子围栏供能提供了新的参考和思路。

雨滴能量收集型摩擦纳米发电机的研究进展

简单阐述了摩擦纳米发电机(TENG)的工作原理及4种基本工作模式。总结了雨滴能量收集型TENG在基于垂直接触-分离结构、单电极结构、独立层结构3种工作模式及多种基本工作模式集成的结构优化及应用。介绍了开发出的其他结构类型的TENG及通过表面处理、结构优化等方式对雨滴能量收集效率的增强。此外,对其他类型如太阳能、风能等清洁能源收集装置与雨滴能量收集型TENG集成为互补的混合能源装置进行了介绍和分析。最后,对目前TENG在雨滴能量收集方面存在的问题和不足进行总结,并展望了未来的挑战和发展方向。

纺织品摩擦纳米发电机的研究进展

阐述了纺织品摩擦纳米发电机(T-TENG)在智能可穿戴领域的优势。重点介绍了纺织品摩擦纳米发电机的四种工作模式,包含垂直接触-分离模式、单电极模式、水平滑动模式和独立摩擦层模式。分析了不同组成结构对电输出性能的影响,对国内外研究中涂覆、纺纱(加捻、编织和静电纺丝)、针织、机织、非织造等制备方法对纺织品摩擦纳米发电机电输出性能的影响进行了全面评估。总结了纺织品摩擦纳米发电机在改善电子纺织品的能量转换、存储寿命和拉伸性能等方面取得的重要进展。由于纤维/织物的可穿戴设备仍面临着材料和制造技术的限制,导致目前主要依靠实验室制造,材料和制造工艺仍未大规模商业化。最后指出了开发先进的摩擦材料和制造方法以及发展思路。展望了纺织品摩擦纳米发电机的未来发展方向。

废弃茶叶基摩擦纳米发电机开发及其应用

为提高摩擦纳米发电机的输出性能,选用茶叶加工过程中产生的副产品作为材料,系统研究其颗粒目数大小对茶材料基摩擦纳米发电机输出性能的影响.实验结果表明,摩擦纳米发电机的电输出性能随着茶粉颗粒目数提高而提高,当茶粉目数为400目时,其开路电压、短路电流和输出功率分别达到275 V、9μA和459.51μW,且在10 MΩ阻抗下的输出功率密度可达45.951 mW·m^(-2).此外,所制备的摩擦纳米发电机可点亮120颗商业LED灯,并且具有良好的电容充电能力,在电子设备和无线传感器供电方面的实际应用也展示了良好效果.

摩擦纳米发电机在收集蓝色能源上的应用与研究

为了减少碳排放,保护生态环境,人们对海洋资源的开发和研究愈发深入,可再生能源收集技术是该领域研究的重点。其中,摩擦纳米发电机是利用接触电气化现象的最有前途的机械能收集器之一,其具有可利用的机械能资源丰富、材料可得性和可选性广、器件结构相对简单、加工成本低等诸多优势。最近10年,世界各地研究人员在这一领域的研究取得了巨大进展。本文综述了近年来应用于摩擦纳米发电机(TENG)上的各种新型摩擦电材料,介绍了摩擦电材料的选取规则,并总结了对摩擦电材料进行物理表面修饰、化学表面修饰和其他相关改性方式,最后归纳了用于收集蓝色能源的摩擦纳米发电机装置的仿生结构的设计研究进展,并对未来的应用和发展方向进行了展望。

基于摩擦纳米发电机的乒乓球落点轨迹与速度识别的研究

随着科技的迅速发展,通过智能传感设备辅助运动成为科学研究的重要发展方向。为了更方便地收集运动员乒乓球训练的数据,对其进行针对性训练,提出了一种基于单电极式摩擦纳米发电机(TENG)的自驱动信息采集装置。该装置由乒乓球拍及表面摩擦层电极层组成,选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为摩擦层制备材料,碳油作为电极层制备材料。同时设计了一种覆盖整个乒乓球拍面的阵列结构,通过收集乒乓球和球拍撞击产生的电信号来获取乒乓球落点和球速等信息,可以在LabVIEW上位机实时显示。经测试其输出电压在乒乓球球速为15 m/s的速度下可达11.2 V,在60 s内为100 nF的电容器充电到12 V,可以作为微型电子设备的电源,为LED灯和计时器供电。

基于静电纺PVDF/GO复合纳米纤维的摩擦纳米发电机的制备和输出性能

为提高基于聚偏氟乙烯(PVDF)的摩擦纳米发电机(TENG)的输出性能,采用静电纺丝法制备PVDF/GO(氧化石墨烯)复合纳米纤维,并组装成垂直接触-分离式TENG,探究GO质量分数对由PVDF/GO复合纳米纤维组成的TENG的输出性能的影响。通过COMSOL软件对TENG的输出性能进行模拟仿真,分析TENG在不同极板距离下的电势和电能密度的变化规律,为TENG的工作原理提供理论支撑。通过扫描电子显微镜对PVDF/GO复合纳米纤维的形貌结构进行表征,并采用数字示波器对基于PVDF/GO复合纳米纤维的TENG的输出性能进行表征。结果表明:当GO质量分数为0.06%时,基于PVDF/GO复合纳米纤维的TENG具有良好的输出效率,其输出电压约为350 V,短路电流约为28μA,在阻抗匹配条件下,最大峰值功率约为9.66 mW,其功率密度约为3.86 W/m2。基于PVDF/GO复合纳米纤维制备的TENG具有良好的输出性能,能为120个发光二极管(LED)供电,因此在能量收集领域具有潜在的应用前景。

摩擦纳米发电机贴片促进成纤维细胞增殖研究

目的构建高性能贴片式摩擦纳米发电机,通过电场调控成纤维细胞的增殖和划痕愈合。方法通过材料、结构的改进构建贴片式摩擦纳米发电机,与叉指电极结合产生高强电场,观察其对成纤维细胞增殖数量和细胞划痕的影响。结果4cm×4cm大小贴片式摩擦纳米发电机开路电压为200V,短路电流为20μA,转移电荷量为35nC。控制±1V交流电压输出,结合叉指电极形成的电场刺激,可明显促进成纤维细胞增殖和成纤维细胞划痕的愈合。结论作为新型生物能收集器件,摩擦纳米发电机可以将机械能转化为电能,提供电场调节细胞活动,为组织修复提供了有力的支撑。

基于纤维素材料的摩擦纳米发电机研究进展

近年来摩擦纳米发电机(TENG)发展迅速,在能量收集、人机交互、可穿戴电子、医疗电子等领域有着广泛应用。传统的TENG采用聚合物材料和金属材料制备,它们无法生物降解,难以回收循环利用,会对环境造成污染,因此制备绿色环保的TENG成为了研究热点。纤维素材料以其可降解、可再生、易改性、易加工等优点,促进了环境友好型TENG的发展。简要介绍了TENG的结构组成、工作原理和工作模式,重点总结了纳米纤维素膜、纤维素纸、纤维素气凝胶作为摩擦电材料的TENG研究进展与应用实例,并对纤维素基TENG未来发展进行了展望。