CN111641347B - 一种捕获风能和声能的摩擦纳米发电机 - Google Patents

Abstract

一种捕获风能和声能的摩擦纳米发电机，涉及纳米发电领域，包括风驱动摩擦纳米发电装置和声音驱动摩擦纳米发电装置，风驱动摩擦纳米发电装置包括风车、三片附在风车上的聚四氟乙烯摩擦层和两个互补的导电织物制成的叉指电极，声音驱动摩擦纳米发电装置包括聚偏氟乙烯‑三氟乙烯纳米纤维膜本发明通过风驱动摩擦纳米发电装置捕获风能，本发明在声音驱动摩擦纳米发电装置中以静电纺聚偏氟乙烯‑三氟乙烯纳米纤维膜作为摩擦层来捕获声音能量，并且通过导电织物作为共用电极将风驱动摩擦纳米发电装置和声音驱动摩擦纳米发装置有机的结合起来，不仅有利于分析风驱动摩擦纳米发电装置与声音驱动摩擦纳米发装置之间的耦合效应，而且可以提高其输出性能。

Description

一种捕获风能和声能的摩擦纳米发电机

技术领域

本发明涉及纳米发电领域，具体涉及一种捕获风能和声能的摩擦纳米发电机。

背景技术

摩擦起电是自然界中最常见的一种现象之一，但摩擦起电又很难被收集和利用，因此往往被忽视。摩擦纳米发电机(TENG)作为一种新兴的能量捕获技术，以麦克斯韦方程导出的位移电流为主导，通过摩擦起电与静电感应的耦合捕获机械能并将其转换为电能。当两种不同的材料相接触时，它们的表面由于极性的不同会产生正负静电荷，当两种材料由于机械力的作用分离时，接触起电产生的正负电荷也会分离，这种电荷分离会相应的在材料的上下电极上产生感应电势差，如果在两个电极之间接入负载或者处于短路状态，这个感应电势差会驱动电子通过外电路在两个电极之间流动从而实现“摩擦发电”。虽然TENG输出电流较低，但它的具有输出电压高、重量轻、成本低、材料选择多样等特点。TENG在可穿戴电子器件、物联网、环境、基础设施、医疗、安全等领域具有一定的应用前景。

风能和声波能源作为我们日常生活中常见的能源，由于其可再生性、丰富性和清洁性等优点，已经引起了大家的关注。通过TENG技术捕获风能和声能对于构建自驱动系统具有一定的潜在应用价值。目前已经设计了多种捕获风能和声能的器件，但是大多是单独捕获风能或声能的器件，即使有同时捕获风能和声能的器件，它的输出效果也很弱，缺乏同时捕获风能和声能的器件。因此设计出一种合理的能够同时捕获风能和声能的器件并且还能有效地提高它的电输出具有的极其重要的意义。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种捕获风能和声能的摩擦纳米发电机。

技术方案为：包括风驱动摩擦纳米发电装置和声音驱动摩擦纳米发电装置；风驱动摩擦纳米发电装置包括风车、三片附在所述风车上的聚四氟乙烯摩擦层和两个互补的导电织物制成的叉指电极，两个导电织物粘贴到圆盘上并通过小缝隙隔开形成叉指电极，叉指电极作为风驱动摩擦纳米发电装置的其中一个摩擦层表面，三片聚四氟乙烯摩擦层附着在风车的边缘，并以等角度沿叉指电极径向排列形成风驱动摩擦纳米发电装置的另一个摩擦层表面；声音驱动摩擦纳米发电装置包括聚偏氟乙烯-三氟乙烯纳米纤维膜和粘贴在叉指电极上的间隔物垫片，将聚偏氟乙烯-三氟乙烯纳米纤维膜作为摩擦层贴在两个导电织物之间形成声音驱动摩擦纳米发电装置的上电极，位于下层的导电织物作为声音驱动摩擦纳米发电装置的底电极。

优选地，风车直径为28cm。

优选地，聚四氟乙烯摩擦层采用扇形。

优选地，叉指电极间缝隙的大小为1mm。

优选地，圆盘的外径为19cm，圆盘采用六个扇形部分组成，每个扇形部分的半径为7cm，中心角为60°。

优选地，圆盘的材质为亚克力。

优选地，间隔物垫片位于上层的导电织物与聚偏氟乙烯-三氟乙烯纳米纤维膜之间，间隔物垫片采用65μm厚的Kapton垫片。

本发明的有益效果：

1、本发明主要是基于风车结构设计的摩擦纳米发电机，通过风驱动摩擦纳米发电装置捕获风能，在声音驱动摩擦纳米发电装置中以静电纺聚偏氟乙烯-三氟乙烯纳米纤维膜作为摩擦层来捕获声音能量，并且通过导电织物作为共用电极将风驱动摩擦纳米发电装置和音驱动摩擦纳米发装置有机的结合起来，不仅有利于分析风驱动摩擦纳米发电装置与音驱动摩擦纳米发装置之间的耦合效应，而且可以提高其输出性能；

2、本发明提供的复合摩擦纳米电机中仅在声音的驱动下测试风驱动摩擦纳米发电装置，共用电极上只存在少量的摩擦电荷，导致风驱动摩擦纳米发电装置的叉指电极之间传递的摩擦电荷很少，因此，声音对风驱动摩擦纳米发电装置输出性能的影响很小，可以忽略不计；

3、本发明中风驱动摩擦纳米发电装置的累积摩擦电荷可以通过共用电极在声音驱动摩擦纳米发电装置的两个电极之间产生额外的电势，导致风对声音驱动摩擦纳米发电装置的开路电压有积极的贡献，有助于声音驱动摩擦纳米发电装置的开路电压的增强，同时风对声音驱动摩擦纳米发电装置的短路电流几乎没有影响；

4、本发明中提供的复合摩擦纳米电机在人工智能、物联网等真实自然环境中为低功耗电子设备供电具有广阔的应用前景。

附图说明

图1：本发明提供摩擦纳米发电机结构示意图。

图2：本发明提供聚偏氟乙烯-三氟乙烯纳米纤维膜SEM图像。

图3：本发明提供导电织物的SEM图像。

图4：本发明中风驱动摩擦纳米发电装置工作原理图。

图5：本发明中声音驱动摩擦纳米发电装置工作原理图。

图6：本发明中风驱动摩擦纳米发电装置收集风能在不同风速下的输出特性进行分析(a：不同风速下的Voc、b-Isc和c-Qsc；d：风速为10m/s时，不同外阻负载下的风TENG输出电压和电流；e-瞬时输出功率密度随外负载电阻的变化图)。

图7：为图6(a)(b)(c)获得的Voc、Isc和Qsc在10m/s下的局部放大图。

图8：不同频率下声音驱动摩擦纳米发电装置的a-Voc、b-Isc和c-Qsc；180Hz频率下d-Voc、 e-Isc和f-Qsc的局部放大图。

图9：180Hz频率下不同声压下声音驱动摩擦纳米发电装置的a-Voc、b-Isc和c-Qsc；d- 不同外电阻负载下的输出电压和输出电流；e-瞬时最大输出功率密度随负载电阻的变化图。

图10：本发明中声音对风TENG电信号输出的影响：a-风和风声复合环境中风TENG的 Voc；b-对(a)中所示的风环境下经FFT处理的Voc频谱；c-对(a)中所示的风声复合环境下经FFT处理的的Voc频谱；d-风和风声复合环境中风TENG的Isc。；e-对(d)中所示的风环境下Isc经FFT处理的频谱；f-对(d)中所示的风声复合环境下Isc经FFT处理的的频谱。

图11：声环境中风TENG的(a)Voc和(b)Isc。

图12：风对声TENG输出的影响：a-声和风声复合环境中声TENG的Voc；b-对(a)中所示的声环境经FFT处理的下Voc频谱；c-对(a)中所示的风声复合环境下经FFT处理的 Voc频谱；d-声和风声复合环境中声TENG的Isc；e-对(d)中所示的声环境下经FFT处理的Isc频谱；f-对(d)中所示的风声复合环境下经FFT处理的Isc频谱。

图13：仅有风环境下的声TENG的a-Voc和b-Isc。

图14：a-电容器充电电路图；b-W-TENG、S-TENG和复合TENG在风速为10m/s、在声音频率为180Hz和声压为115dB的条件下对1μF电容器的充电性能；c-测量TENG整流输出电流的电路图；d-W-TENG、S-TENG和混合式TENG整流后输出电流的比较；e-设计的专用PMC电路图。

图中：1-风车、2-聚四氟乙烯摩擦层、3-导电织物、4-聚偏氟乙烯-三氟乙烯纳米纤维膜、 5-间隔物垫片、6-圆盘。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施实例进一步阐述本发明的内容，但本发明的内容并不仅仅局限于下述的实施例。

实施例一、如图1所示，一种捕获风能和声能的摩擦纳米发电机，包括风驱动摩擦纳米发电装置和声音驱动摩擦纳米发电装置。

风驱动摩擦纳米发电装置包括一个直径为28cm风车1、三片附在风车1上的聚四氟乙烯摩擦层(PTFE)2和两个互补的导电织物3制成的叉指电极。为了便于叉指电极的固定，制作了一种由亚克力板制成的圆盘6，首先，用激光雕刻机将亚克力板切割为径向圆盘(外径19cm)作为风驱动摩擦纳米发电机的支架，圆盘6由六个扇形部分组成，每个扇形部分的半径为7cm，中心角为60°。

两个导电织物3通过双面胶粘贴到圆盘6上并通过小缝隙隔开形成叉指电极，叉指电极间缝隙的大小为1mm。缝隙过大则导致叉指电极的面积变小，减小风驱动摩擦纳米发电装置的电输出性能，缝隙过小有可能导致两个电极偶然的误触，导致电极连在一起，因此控制好缝隙的大小显得尤为重要。

叉指电极作为风驱动摩擦纳米发电装置的其中一个摩擦层表面，三片聚四氟乙烯摩擦层 2通过双面胶附着在风车1的边缘，并以等角度沿叉指电极径向排列形成风驱动摩擦纳米发电装置的另一个摩擦层表面。其中，三片聚四氟乙烯摩擦层2一侧粘在风车1的背面，另一侧保持独立，使其能够充分地与叉指电极接触摩擦。此外，聚四氟乙烯摩擦层2采用扇形，每个聚四氟乙烯摩擦层 2的尺寸设计几乎与圆盘6每个扇区相同。

声音驱动摩擦纳米发电装置包括聚偏氟乙烯-三氟乙烯纳米纤维膜4和通过双面胶粘贴在叉指电极上的间隔物垫片5，将聚偏氟乙烯-三氟乙烯纳米纤维膜4作为摩擦层双面胶贴在两个导电织物3之间形成声音驱动摩擦纳米发电装置的上电极，位于下层的导电织物3作为声音驱动摩擦纳米发电装置的底电极。

其中，间隔物垫片5位于上层的导电织物3与聚偏氟乙烯-三氟乙烯纳米纤维膜4之间，所述间隔物垫片5采用65μm厚的Kapton垫片。

实施例二、对实施例一中聚偏氟乙烯-三氟乙烯纳米纤维膜和导电织物进行分析，结果如图2和3所示。

图2显示出了由国产的静电纺丝装置(配有滚筒旋转收集器)制备的聚偏氟乙烯-三氟乙烯纳米纤维膜的SEM图像，聚偏氟乙烯-三氟乙烯纳米纤维膜由平均直径为100nm的聚偏氟乙烯-三氟乙烯(P(VDF-TrFE))纳米纤维组成，纳米纤维看起来都是直且均匀的。

图3显示了导电织物的SEM图像，为边长为65μm的方形阵列微孔，导电织物中固有的矩形微孔结构有利于声音向聚偏氟乙烯-三氟乙烯纳米纤维膜摩擦层的传输。

实施例三、对实施例一中风驱动摩擦纳米发电装置收集风能以及声音驱动摩擦纳米发电装置收集声波能量的机制进行分析。

风驱动摩擦纳米发电装置是一种基于独立层模式的摩擦纳米发电机，在定子(圆盘6) 上导电织物制成的叉指电极与转子(风车1)上聚四氟乙烯摩擦层(PTFE)的相对旋转运动下，交流电提供给外部负载。如图4所示，PTFE膜的第一个接触电极被标记为电极F，电极 F旁边的电极被命名为电极N。在初始状态下(图4-i)，一旦PTFE膜与电极F完全物理接触，由于不同的摩擦材料极性不同导致PTFE膜的表面带负电，而导电织物电极F带正电荷。鉴于PTFE膜为驻极体聚合物，PTFE膜表面的负电荷是不可移动的，容易长时间保持。如图4-ii所示，当PTFE膜滑向电极N时，正电荷将通过外部负载从电极F流向电极N，以平衡 PTFE膜上不可移动的负电荷形成的局部电场。当PTFE膜与电极N完全重叠时，所有正电荷将被流向到电极N(图4-iii)。接下来，随着风车1的进一步旋转，PTFE膜继续接触相邻电极的表面，并且产生相反方向的电流(图4-iv)。在这种情况下，风车的周期性旋转产生周期性的交流电信号。

声音驱动摩擦纳米发电装置的结构是基于接触分离模式的摩擦纳米发电机。声音驱动摩擦纳米发电装置的工作可以通过接触摩擦起电和静电感应的耦合作用来描述。声波传播的波形特征会引起P(VDF-TrFE)膜与导电织物电极之间的压力周期性变化，引起P(VDF-TrFE)膜反复振荡，如图5-i所示，当P(VDF-TrFE)膜与导电织物底电极膜接触时，两种膜表面的电子云重合，来自导电织物底电极的一些电子进入P(VDF-TrFE)膜的深势阱。由于P(VDF-TrFE)膜的电负性强于导电织物，P(VDF-TrFE)膜带负电荷，而导电织物的底电极带正电荷(图5-ii)。由于声压差的变化，P(VDF-TrFE)膜将与底电极分离，结果正、负摩擦电荷不再在同一平面上重叠，在两接触面之间同时产生偶极矩和电势。因此，自由电子被驱动通过外部电路在顶部和底部电极之间流动以平衡局部电场，因此正电荷保持在顶部电极上(图5-iii)。此外在声音驱动摩擦纳米发电装置中，在短路条件下从下到上电极产生输出电流。电子的流动一直持续到两个接触面之间的分离最大化为止(图5-iv)。之后，P(VDF-TrFE)膜在声波的冲击下向底部电极反弹。在此阶段，电势差减弱，底部电极的表面自由电子回流到顶部电极，形成反向电流(图5-v)。最后，两个表面再次接触，电荷分布回到初始阶段(图5-ii)，完成一个完整的发电循环。

实施例四、对实施例一中风驱动摩擦纳米发电装置收集风能在不同风速下的输出特性进行分析。

采用可调风速的风机控制风速。图6显示了风驱动摩擦纳米发电装置的输出性能，其开路电压(V_oc)、短路电流(I_sc)和转移电荷(Q_sc)是在风速为1至10m/s的情况下测量的。如图6a 和6c所示，随着风速的增高，V_oc和Q_sc都显示在较低风速下最初略有增加，然后分别保持在大约为530V和180nC的恒定值。这些结果可以用表面电荷密度的变化来解释，较高的风速会导致聚合物薄膜产生较大的旋转力矩，这意味着产生较大的接触力。较大的接触力将使 PTFE膜的独立侧和叉指电极之间的两个摩擦层接触更紧密，从而产生更高的表面电荷密度。当接触力足够大时，将获得相对饱和的表面电荷密度。

值得注意的是，如图6b所示，随着风速从1m/s增加到10m/s，I_sc从0.5μA增加到10.5μA，显示出与风速近似正的线性关系。根据独立层式摩擦纳米电机的理论，风驱动摩擦纳米发电装置可以被视为两个电极之间具有恒定电荷的电容器。按照电容模型，风驱动摩擦纳米发电装置的输出电压可按以下公式计算。

V＝Q/C (1)

其中C是电容器的电容，是常数，Q是电极电容器的电荷。根据方程(1)，W-TENG的V_oc与Q_sc直接相关。而在相对较高的风速下，Q_sc几乎保持不变。因此，随着风速的变化， V_oc几乎保持不变。

输出电流被定义为电荷流的速率，并由以下方程表示。

I＝dQ/dt (2)

由于Q_sc几乎保持不变，并且风车的转速随着风速的改变而改变，I_sc自然会发生变化。如图6d所示，随着负载电阻的增加，风驱动摩擦纳米发电装置的输出电流减小，输出电压升高。如图6e所示，在风速为10m/s时，负载电阻为10MΩ时，风驱动摩擦纳米发电装置的最大瞬时输出功率达到1.5mW。从图6a、6b和6c获得的V_oc、I_sc和Q_sc在10m/s下的放大图分别显示在7a、7b和7c中，由此我们可以推断风驱动摩擦纳米发电装置的工作频率为17Hz。

实施例五、对实施例一中声音驱动摩擦纳米发电装置收集声波能量在不同风速下的输出特性进行分析。

为了研究声音驱动摩擦纳米发电装置的输出特性，使用振幅和频率均可调的商用扬声器作为声源驱动声音驱动摩擦纳米发电装置，初步探讨了声频对声音驱动摩擦纳米发电装置输出的影响。如图8a、8b和8c所示，声音驱动摩擦纳米发电装置的Voc、Isc和Qsc在115dB 的声压下从80Hz增强到180Hz，然后从180Hz下降到240Hz。即在180Hz的谐振频率下，Voc、Isc和Qsc的最大值分别为80V、19μA和50nC。显然，声音频率越接近声音驱动摩擦纳米发电装置的共振频率，输出的功率就越高。这样，当所应用的声音频率偏离声音驱动摩擦纳米发电装置的谐振频率较大时，电输出相应地衰减。此外，图8a、8b和8c中最大Voc、 Isc和Qsc的放大图分别如图8d、8e和8f所示。根据入射声波的频率推断，Voc、Isc和Qsc 的频率约为180Hz。

考虑到自然环境中声压范围的广泛性，有必要研究180Hz固定声频下的输出性能与声压的关系。从图9a、9b和9c可以看出，V_oc、I_sc和Q_sc随声压从75dB提高到115dB而明显增加。有趣的是，当声压超过90dB时，V_oc、I_sc和Q_sc迅速增加。在180Hz的共振频率和115dB 的声压下，V_oc、I_sc和Q_sc分别达到80V、19μA和50nC。声音驱动摩擦纳米发电装置的最大瞬时输出功率可以通过匹配的外部负载获得。图8d反映了外电阻对输出电信号变化的影响，在180Hz的声频和115dB的声压下，输出电压和电流均随负载电阻的增大而增大和减小。如图9e所示，摩擦纳米电机的输出功率先增大后减小，在负载电阻为1MΩ时，瞬时最大峰值功率约为0.5mW。

实施例六、对于具有复杂时域性能的信号，特别是来自多个不同频率输入的信号，傅里叶变换(FFT)分析是一种有效的、通用的将数据从时域转换到频域的方法。对实施例一利用FFT技术研究了风、声信号的相互作用，分析了风、声信号的输出电压和电流的频谱，并将其应用于电信号处理中。

为了研究声音对风驱动摩擦纳米发电装置电输出的影响，将风驱动摩擦纳米发电装置与声音驱动摩擦纳米发电装置组成的复合驱动TENG设置为在风速为10m/s、声压为115dB、频率为180Hz的条件下工作。图10a是风驱动摩擦纳米发电装置在单独风和风声协同驱动作用下的V_oc。结果表明，两种情况下的V_oc值几乎相同，均为530V。为了区分信号成分，对两种情况下得到的时域电信号进行了FFT处理。在FFT处理之后，在图10b中观察到风驱动摩擦纳米发电装置在单独风作用下在17Hz和50Hz处的两个峰值，上述两个峰值分别代表风车的频率和噪声。图10c示出了由风和声音同时驱动的风驱动摩擦纳米发电装置的FFT处理曲线。从图中还可以清楚地观察到17Hz和50Hz的两个峰值，这可以从风车的频率和噪声中推断出来。此外，图10c显示了180Hz时的微弱峰值，根据图8d获得的实验结果可知这是扬声器的声音引起的。除了电压信号之外，用FFT技术对风驱动摩擦纳米发电装置分别在无声有风和有声有风作用下的电流信号进行了处理，并在图10d、e和f中绘出了相似的结果。从图10d可以看出，两种情况下的I_sc都在10.5μA左右，图10f还说明了在风声协同驱动作用下，声音对风驱动摩擦纳米发电装置的影响。为了进一步验证声音是否有助于风驱动摩擦纳米发电装置的输出性能，我们仅在有声音的作用下测量了风驱动摩擦纳米发电装置的电输出(如图11a和11b所示)。在这种情况下，产生了4.5V的V_oc和0.13μA的I_sc，这表明声音对风驱动摩擦纳米发电装置的电输出的影响是微不足道的。声音对风驱动摩擦纳米发电装置输出性能的不显著可以解释为：当声音的作用下对风驱动摩擦纳米发电装置进行电输出测量时，声音驱动摩擦纳米发电装置中的两个电极不形成电回路。

因此，声音驱动摩擦纳米发电装置和风驱动摩擦纳米发电装置共用的电极上只存在少量的摩擦电荷。仅在声音的驱动下，导致声音驱动摩擦纳米发电装置的叉指电极之间传递的摩擦电荷很少，因此，声音对声音驱动摩擦纳米发电装置输出性能的影响可以忽略不计，与图 10a和10d中观察到的实验结果一致。

实施例七、对实施例一中风对声音驱动摩擦纳米发电装置输出的影响。将复合驱动TENG 的工作条件设置为与图10a和10d相同。从图12a可以看出，单独声和风声协同驱动作用下，复合驱动TENG的Voc分别为80V和120V。在FFT处理之后，在图12b中观察到单独由声音驱动的声音驱动摩擦纳米发电装置在50Hz和180Hz处的两个峰值。根据图8d可知位于50Hz和180Hz的两个峰值分别来自噪声和声音。图12c为声音驱动摩擦纳米发电装置在风和声协同作用下的FFT处理结果。除了50Hz和180Hz的两个峰值外，还发现另一个峰值位于17Hz，这是由风的影响引起的，这是由图7a的实验结果得出的。17Hz相对较高的峰值振幅预示着风可能对声音驱动摩擦纳米发电装置的Voc增强有重要贡献。为了尽可能地阐明风是否有利于提高声音驱动摩擦纳米发电装置的Voc，我们对单独风驱动的声音驱动摩擦纳米发电装置的Voc进行了测量。

如图13a所示，声音驱动摩擦纳米发电装置的Voc约为30V，这意味着风确实在一定程度上有助于声音驱动摩擦纳米发电装置的Voc的增强。风对声音驱动摩擦纳米发电装置的Voc 的明显贡献可以从以下几个方面来解释：当风车旋转时，共用叉指电极上积聚了大量的摩擦电荷。因此，根植于风驱动摩擦纳米发电装置的累积摩擦电荷可以在声音驱动摩擦纳米发电装置的两个电极之间产生额外的电势。这样导致风对声音驱动摩擦纳米发电装置的Voc有积极的贡献。

图12d为无风和有风声驱动的声音驱动摩擦纳米发电装置的Isc，两种情况下的Isc几乎相同，均为19μA，经FFT处理后，分别在图12e和12f为无风和有风声驱动的相应结果。对比图12e和12f，可以清楚地看到风对声音驱动摩擦纳米发电装置在风声协同作用下的影响。然而，图12f中17Hz处相对较低的峰值强度表明，风对声音驱动摩擦纳米发电装置的Isc增强的贡献微乎其微。

为了进一步阐明风对声音驱动摩擦纳米发电装置综合性能的影响，我们对声音驱动摩擦纳米发电装置输出性能进行了单独风作用下的测试。如图13b所示，其值较小且不稳定的Isc 意味着风对声音驱动摩擦纳米发电装置的Isc的影响微不足道。共用叉指电极上积累的摩擦电荷虽然可以通过外电路转移到声音驱动摩擦纳米发电装置的另一电极上产生电流，但电流的幅值相对较小。人们普遍认为Isc主要取决于声音驱动摩擦纳米发电装置两电极间的摩擦电荷转移率。由于声音驱动摩擦纳米发电装置的Isc在80Hz的声频下仅为2μA(图8b)，因此声音驱动摩擦纳米发电装置更适合在相对较高的频率下工作。而目前风车的频率只有 17Hz，因此风对声音驱动摩擦纳米发电装置的Isc几乎没有影响。

实施例八、为了证明实施例一提供的摩擦纳米电机作为可持续能源的能力，对复合摩擦纳米电机、声音驱动摩擦纳米发电装置和风驱动摩擦纳米发电装置的充电曲线进行了分析。

复合摩擦纳米电机中的交流信号通过两个整流桥转换成直流信号，如图14a所示。这里使用了1μF的商用电容器，风速设置为10m/s，测量期间的声频为180Hz，声压为115dB。图 14b反映了复合摩擦纳米电机、声音驱动摩擦纳米发电装置和风驱动摩擦纳米发电装置的充电曲线，其中复合摩擦纳米电机具有最高的充电速率和充电电压。图14c画出了将交流信号转换为直流信号的电路图，其中使用了两个整流桥和一个Keithley 6514静电计。图14d为整流后的风驱动摩擦纳米发电装置、声音驱动摩擦纳米发电装置和复合摩擦纳米电机的Isc。当风驱动摩擦纳米发电装置和声音驱动摩擦纳米发电装置并联时，复合摩擦纳米电机的电流大致等于它们的电流之和。即使在风速为6m/s、声压为75dB的情况下工作，这种复合摩擦纳米电机也可以作为一个电源，成功地点亮55个串联的绿色LED。根据复合摩擦纳米电机的输出特性，设计一种专用的电源管理电路(PMC)以提高匹配阻抗，满足低阻抗负载的要求。如图14e所示，PMC主要由两个整流器、纳米功率比较器、金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)、电感、二极管和电容组成。在这种PMC中，整流器将交流电转换成直流电，MOSFET和声音驱动摩擦纳米发电装置供电的纳米功率比较器实现作为可控开关。开关和其他元件构成buck-boost型DC-DC变换器，利用该变换器可以在负载电阻上获得稳定、连续的直流输出电压。因此，目前的PMC开关不仅作为buck-boost变换器的一部分，而且用于最大化能量传递。为了获得完美的CMEO，开关应该在特定的TENG阈值电压下触发，这意味着TENG的Voc要求保持稳定。一方面，在风速超过4m/s的情况下，W-TENG的Voc几乎保持不变；另一方面，由于风驱动摩擦纳米发电装置增强了声音驱动摩擦纳米发电装置的输出性能，即使在低声压下，声音驱动摩擦纳米发电装置也能轻松驱动开关，因此PMC是非常合适和高效的。通过PMC，在风速为6m/s，声压为75dB的条件下，复合摩擦纳米发电机可以连续为两个数字温湿度计供电，当复合摩擦纳米发电机工作时，两个数字温湿度计可以快速通电，屏幕上的实际温度、时间和环境湿度变得清晰。此外，在4m/s的室外自然风和76dB的声压下，复合摩擦纳米发电机可以成功地驱动温湿度计。此时，复合摩擦纳米发电机系统的部分单元输出的电力可以作为辅助电源来设计主动开关，这将为优化设计能够协同工作的 PMC和复合摩擦纳米发电机系统提供参考，说明该装置在人工智能、物联网等真实自然环境中为低功耗电子设备供电具有广阔的应用前景。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种捕获风能和声能的摩擦纳米发电机，其特征在于，包括风驱动摩擦纳米发电装置和声音驱动摩擦纳米发电装置；所述风驱动摩擦纳米发电装置包括风车(1)、三片附在所述风车(1)上的聚四氟乙烯摩擦层(2)和两个互补的导电织物(3)制成的叉指电极，两个所述导电织物(3)粘贴到圆盘(6)上并通过小缝隙隔开形成叉指电极，所述叉指电极作为所述风驱动摩擦纳米发电装置的其中一个摩擦层表面，三片所述聚四氟乙烯摩擦层(2)附着在所述风车(1)的边缘，并以等角度沿所述叉指电极径向排列形成所述风驱动摩擦纳米发电装置的另一个摩擦层表面；所述声音驱动摩擦纳米发电装置包括聚偏氟乙烯-三氟乙烯纳米纤维膜(4)和粘贴在所述叉指电极上的间隔物垫片(5)，将所述聚偏氟乙烯-三氟乙烯纳米纤维膜(4)作为摩擦层贴在两个导电织物(3)之间形成所述声音驱动摩擦纳米发电装置的上电极，位于下层的导电织物(3)作为所述声音驱动摩擦纳米发电装置的底电极。

2.根据权利要求1所述的捕获风能和声能的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述风车(1)直径为28cm。

3.根据权利要求2所述的捕获风能和声能的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述聚四氟乙烯摩擦层(2)采用扇形。

4.根据权利要求3所述的捕获风能和声能的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述叉指电极间缝隙的大小为1mm。

5.根据权利要求4所述的捕获风能和声能的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述圆盘(6)的外径为19cm，所述圆盘(6)采用六个扇形部分组成，每个所述扇形部分的半径为7cm，中心角为60°。

6.根据权利要求5所述的捕获风能和声能的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述圆盘(6)的材质为亚克力。

7.根据权利要求6所述的捕获风能和声能的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述间隔物垫片(5)位于上层的导电织物(3)与所述聚偏氟乙烯-三氟乙烯纳米纤维膜(4)之间，所述间隔物垫片(5)采用65μm厚的Kapton垫片。

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