CN113067495A - 基于钝体绕流效应的微风能量收集摩擦纳米发电机及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于钝体绕流效应的微风能量收集摩擦纳米发电机，包括能形成绕流的钝体和悬臂梁摩擦纳米发电机单元，钝体的两侧均设置有悬臂梁摩擦纳米发电机单元，悬臂梁摩擦纳米发电机单元包括一块支撑板、导电弹性薄片和塑性复合薄片，导电弹性薄片和塑性复合薄片相对设置，且它们的一端相对粘贴在支撑板的两侧，另一端为自由端，塑性复合薄片包括摩擦层、电极层和高分子薄膜层，钝体的两侧的悬臂梁摩擦纳米发电机单元的支撑板呈竖直状态相对间隔固定，钝体位于另一端，导电弹性薄片和塑性复合薄片的下端与底板之前有间隙。实现了在超低风速时的高输出功率密度，可用于收集低速风能。

Description

基于钝体绕流效应的微风能量收集摩擦纳米发电机及其应用

技术领域

本发明涉及一种基于钝体绕流效应的微风能量收集摩擦纳米发电机及其应用，属于摩擦纳米发电机领域。

背景技术

近年来物联网(Internet of Things)技术不断发展，用于监测周围环境变化的电子设备和传感器网络需要常规电源，例如电池和在线取能。但是，用于传感器网络的常规电源有很多缺点，包括布线复杂，使用寿命有限，难以更换和维护困难以及存在潜在的环境污染问题。由于这些原因，研究人员正积极探索替代性环境能源，例如风，水波，热和太阳能，其中，风被认为是重要的能源之一。它具有诸多优点，例如，自然界中无处不在、取之不竭，以及环境友好等。若能实现环境风能的收集和传感器的自供电，这些问题便迎刃而解。设计和开发能够持续、可靠、高效收集低速风/流体能量的自供电传感系统已经成为物联网领域的研究热点。

而传统风能收集设备如风力涡轮机等不仅存在重量大，体积大，结构复杂，制造及安装成本高的问题，而且风力涡轮机在使用时会破坏当地生态环境不利于大范围使用，并且其切入风速要大于3m/s(通常是3-4.5m/s)，然而环境中大部分的风是低速气流，低于风力涡轮机的阈值风速，致使此类分布广泛的风能白白浪费，因此开发具有广泛适用性，便于携带，环境友好，可以高效收集微风能量的设备取代传统电源为小型化电子设备和多功能无线网络节点供电是是迫切需要的。

近年来，一个新兴的领域——摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator,TENG)给设计制作新型能量收集和传感设备提供了理论基础和研究实践。TENG是基于麦克斯韦位移电流在能源和传感器领域的一项重要应用，它是利用两种不同材料接触摩擦所产生的表面电荷(其中至少一个面是绝缘的聚合物，其表面的摩擦电荷为束缚电荷)，在接触分离的过程中，表面电荷导致的随时间变化的电场来驱动电子在电极中的流动(即静电感应)，因而能使材料接触/分离过程中耗散的机械能转化为电能。但是现有的摩擦纳米发电机在风能收集领域面临两个关键问题：(1)当风速较低或者极低时TENG将停止工作，(2)较低的输出能量难以实现有效的能量供应，从而限制了TENG的大规模使用。

发明内容

本为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于钝体绕流效应的微风能量收集摩擦纳米发电机，第二目的在于提供该种摩擦纳米发电机的应用，。

为了实现本发明的上述第一目的，本发明的技术方案为：一种基于钝体绕流效应的微风能量收集摩擦纳米发电机，其特征在于：包括能形成绕流的钝体和悬臂梁摩擦纳米发电机单元，所述钝体的两侧均设置有悬臂梁摩擦纳米发电机单元，所述悬臂梁摩擦纳米发电机单元包括一块支撑板、导电弹性薄片和塑性复合薄片，所述导电弹性薄片和塑性复合薄片相对设置，且它们的一端相对粘贴在支撑板的两侧的中部，另一端为自由端，所述塑性复合薄片包括摩擦层、电极层和高分子薄膜层，所述电极层粘贴在摩擦层和高分子薄膜层之间，所述摩擦层位于靠导电弹性薄片一侧，钝体的两侧的悬臂梁摩擦纳米发电机单元的支撑板呈竖直状态相对间隔固定，所述钝体固定在悬臂梁摩擦纳米发电机单元远离支撑板的一端，所述钝体位于导电弹性薄片和塑性复合薄片的自由端之间，且与导电弹性薄片和塑性复合薄片的自由端之间有间隙，且该间隙的宽度保证在受到绕流影响时，导电弹性薄片和塑性复合薄片相对的面能够相互接触。

上述方案中：还包括底板、所述钝体和悬臂梁摩擦纳米发电机单元固定在底板上，所述导电弹性薄片和塑性复合薄片的下端与底板之前有间隙。

上述方案中：所述摩擦层和高分子薄膜层的表面积比电极层的表面积大。贴有高分子薄膜层以及较大的表面积有利于提高TENG单元薄膜结构的塑性。

上述方案中：还包括顶板，所述顶板覆盖在钝体和悬臂梁摩擦纳米发电机单元上方，且导电弹性薄片和复合薄片与顶板之间不接触。底板，顶板两者之间可以形成较好的层流，方便测试。

上述方案中：所述顶板和底板为亚克力板或钢板或铜板。所述支撑板为亚克力板、板玻璃板，塑料板中的一种。

上述方案中：所述电极层为铝箔片或导电ITO薄膜。

上述方案中：所述高分子薄膜层为PP(聚丙烯)薄片、PVC(聚氯乙烯)薄片、PE(聚乙烯)薄片、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)薄片中的一种。

上述方案中：所述钝体为圆柱体形或多面体。原则上任何形状的钝体都行。

上述方案中：所述多面体为三棱柱和长方体。

上述方案中：所述导电弹性薄片为弹簧钢片、导电ITO膜、单面镀金/银/铜的高分子聚合物薄片中的一种。其中以弹簧钢片最佳，弹簧钢片具有良好的导电性，成本低廉，容易获取，具有非常好的弹性，在受到较小的压力时容易发生形变，释放压力时又可以恢复到原来的形状，有利于振动能量的收集。

上述方案中：所述摩擦层为聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺中的一种。还可以为其它高分子聚合物。其中聚四氟乙烯电负性较强。

上述方案中：所述摩擦层的表面采用等离子刻蚀方法进行表面处理。进行表面处理可以增大摩擦材料之间的接触面积，从而提高输出。

本发明的第二目的是这样实现的：所述的基于钝体绕流效应的微风能量收集摩擦纳米发电机作为风速传感器的应用。

有益效果：本发明提供的基于钝体绕流的摩擦纳米发电机可用于风能收集还可用作自供电风速传感，实现了在超低风速时的高输出功率密度，并在风速为4.1m/s时成功点亮约210个LEDs，可用于收集低速风能。此外，利用风速和输出电压之间的线性关系，可构建实时风速监测系统，实现了高准确性的风速传感。最后，钝体在自然界中广泛存在，生活中常见的包装盒，水瓶书(理论上可以推广至自然界中的任意钝体)均能用作钝体并成功的实现风能的收集，应用广泛，制作成本低。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图。

图2为悬臂梁摩擦纳米发电机单元层状结构示意图。

图3为摩擦材料表面示意图。

图4为进场风速为1m/s时，钝体周围的速度场分布模拟示意图。

图5为悬臂梁摩擦纳米发电机单元运动状态示意图。

图6为工作原理图。

图7为图6中的四种不同变形模式下的电势分布图。

图8为摩擦纳米发电机的输出波形图。

图9为本发明的等效系统电路模型原理图。

图10为参数L(摩擦层的长度)和D(导电弹性钢片与钝体之间的距离)代表的意思示意图。

图11为不同L下基于圆柱体形钝体的输出性能图。

图12为不同D下基于圆柱体形钝体的输出性能图。

图13为无钝体以及钝体分别为圆柱体、三棱柱体和长方体时的输出示意图。

图14为圆柱体、三棱柱体和长方体钝体两侧A、B点的峰间差及对应波形图。

图15为风能收集的系统特性。

图16为不同风速下的圆柱体、三棱柱体和长方体作为钝体时的开路电压。

图17为不同风速下的圆柱体、三棱柱体和长方体作为钝体时的短路电流。

图18为不同风速下的圆柱体、三棱柱体和长方体作为钝体时的转移电荷。

图19风速为8.1m/s，钝体为三棱柱，长方体时的开路电压图

图20风速为8.1m/s，钝体为三棱柱，长方体时的短路电流图。

图21风速为8.1m/s，钝体为三棱柱，长方体时的转移电荷图。

图22基于comsol软件提取出的风速8.1m/s时三棱柱，长方体，圆柱形钝体一侧A点的压强变化曲线。

图23在1m/s，8.1m/s风场中，三棱柱、圆柱、四棱柱周围的风速场仿真图。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

基于钝体绕流效应的微风能量收集摩擦纳米发电机(FAB-TENG)，包括顶板1、底板2、能形成绕流的钝体3和悬臂梁摩擦纳米发电机单元，在底板1上设置有钝体3，钝体3的两侧均设置有悬臂梁摩擦纳米发电机单元，钝体3为圆柱体形或多面体。本实验中多面体选择三棱柱和长方体，当然还可以为其它任意形状。顶板1和底板2为亚克力板或钢板或铜板。

悬臂梁摩擦纳米发电机单元包括一块支撑板4、导电弹性薄片5和塑性复合薄片，导电弹性薄片5和塑性复合薄片相对设置，且它们的一端相对粘贴在支撑板4的两侧的中部(也就是说，导电弹性薄片5和塑性复合薄片的下端和上端均与支撑板4的上下端之间有间隙，以保证支撑板在固定时，导电弹性薄片5和塑性复合薄片的上下端均能悬空)，另一端为自由端。导电弹性薄片5为弹簧钢片、导电ITO膜、单面镀金/银/铜的高分子聚合物薄片中的一种。支撑板4为亚克力板、板玻璃板，塑料板中的一种。

塑性复合薄片包括摩擦层6、电极层8和高分子薄膜层7，电极层8粘贴在摩擦层6和高分子薄膜层7之间，摩擦层7位于靠导电弹性薄片5一侧。电极层8为铝箔片或导电ITO薄膜。高分子薄膜层7为PP(聚丙烯)薄片、PVC(聚氯乙烯)薄片、PE(聚乙烯)薄片、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)薄片中的一种。摩擦层6为聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺中的一种。摩擦层6和高分子薄膜层7的表面积比电极层8的表面积大。摩擦层6的表面采用等离子刻蚀方法进行表面处理。

钝体3的两侧的悬臂梁摩擦纳米发电机单元的支撑板4呈竖直状态相对间隔固定，钝体固定在悬臂梁摩擦纳米发电机单元远离支撑板的一端，优选悬臂梁摩擦纳米发电机单元固定在底板的一端，钝体3位于底板2的另一端，钝体3位于导电弹性薄片5和塑性复合薄片的自由端之间，且与导电弹性薄片5和塑性复合薄片的自由端之间有间隙，且该间隙的宽度保证在收到绕流影响时，导电弹性薄片5和复合薄片相对的面能够相互接触，导电弹性薄片5和塑性复合薄片的下端与底板2之前有间隙。

顶板1覆盖在钝体3和悬臂梁摩擦纳米发电机单元上方，且导电弹性薄片5和复合薄片与顶板之间不接触。使用时可以不用顶板1。

基于钝体绕流效应的微风能量收集摩擦纳米发电机可作为风速传感器。

本发明的工作原理，如图4-9所示

本发明装置可以用于微风能量的收集和钝体独特的绕流效应以及摩擦纳米发电机的工作原理有着密切的关系。钝体绕流效应在日常生活中随处可见，如：风吹旗杆，汽车运动等，根据钝体绕流的相关理论，将钝体放置于流场中，钝体两侧会有“涡街”的周期性脱落，并引起两侧压强的周期性变化。在这里，我们利用COMSOL平台模拟了均匀空气环境中进场气流速度为1m/s时圆柱周围的速度场分布，图4ⅰ&ⅱ。可以清楚地看到，钝体两侧流体的流速将发生规律性的增大或变小。当钝体两侧的流体的流速在流场中交替性的发生变化时，压强也会同时发生相应的变化，基于悬臂梁结构的弹簧钢片两侧受力不平衡时就会振动起来，带动摩擦纳米发电机工作。因此，流体与钝体的耦合产生钝体绕流效应，再结合弹簧钢片的弹性及系统的悬臂梁结构，悬臂梁摩擦纳米发电机将由状态1，向极端位置2运动，由于弹簧钢片自身形变产生的弹力大于流体作用在弹簧钢片上面的压力以及自身惯性作用，钢片由位置2运动经位置1运动到另一极端位置3，之后继续运动到位置1，完成一个振动周期。整个系统会在变化的流体和弹簧钢片共同作用下不断地往复运动。其振动模型如图6所示。在这一循环的运动过程中，本发明会产生周期性的交流电输出，实现风能的收集。图9给出了摩擦纳米发电机等效电路图，选取图6中虚线框中的部分表征一个FAB-TENG单元的工作原理，图6。首先，基于钝体绕流效应，弹簧钢片和聚四氟乙烯薄片因具有不同的应变能力导致弹簧钢片和聚四氟乙烯(Polytetra fluoroethylene，PTFE)薄片产生不同步的周期运动，由于电子亲和力的差异，铝箔上产生正摩擦电荷，PTFE薄片上产生负摩擦电荷，然后，弹簧钢片往回运动，PTFE与弹簧钢片逐渐分离，自由电子从右向左移动以中和正电荷，并在外电路中产生诱导电流，直到达到最大分离状态,此时具有最高的峰值电压。当弹簧钢片和聚四氟乙烯薄片再次接近时，自由电子从左向右移动，产生反向电流。在弹簧钢片的周期性运动下，弹簧钢片和聚四氟乙烯薄片处于周期性的接触分离状态，产生周期性的交流电输出信号。此外，COMSOL(一种基于有限元方法实现真实物理现象模拟的高级数值模拟软件)被用来模拟相应过程中两个电极之间的电势变化，如图7所示。图9是摩擦纳米发电机的等效电路图，阴影部分是其等效电容模型。

本发明的理论基础

本发明以麦克斯韦位移电流为理论基础，为了理解摩擦纳米发电机的理论基础，可以从基本的麦克斯韦方程组开始。麦克斯韦方程组的完整表达式如下：

式中，E表示电场：B表示磁感应强度；H表示磁场强度；o_f表示自由电荷密度；J_f表自由电流密度：D表示位移场，且可以表示为:

D＝ε₀+P (1.5)

式中，P表示极化场密度；ε₀表示真空介电常数。对各向同性的介质来说，D＝ε_E，ε电介质的介电常数。

在方程(1.4)中，第二项即被定义为麦克斯韦位移电流：

位移电流并不是由移动的自由电子产生的电流，而是在随时间变化的电场和材料中电介质极化的共同作用下，导致的原子内部电子束的微小运动(方程1.6的第一项)。位移电流的第一项预言了电磁波的存在；第二项是纳米发电机的理论来源，与纳米发电机的输出电信号密切相关。

本发明是一种典型的接触分离式摩擦纳米发电机，在实验中弹簧钢片(长度为12.7cm，厚度为0.08mm)，它的作用是(1)作为介电材料和PTFE接触分离产生电输出；(2)作为导电材料传导电荷。在实验中铝箔片(长度为75cm，厚度为0.03mm，表面积用S表示)，其作用是传导电荷。介电材料是PTFE，其表面积记做S，长度是75mm，厚度为d2＝0.05mm，σ表示材料表面电荷密度，其中PTFE的表面电荷密度设定为-σ，铝箔上的电荷量是Q，根据电荷守恒定律可得弹簧钢片在接触分离过程中的带电量为Sσ-Q，x(t)表示FAB-TENG在接触分离过程中两种介电材料之间的距离，在此过程中两电极之间产生的开路电压记作V。

根据高斯定理，每个区域的电场强度为：

空气间隙场强为：

在介电材料内部地场强为：

两电极之间产生的开路电压为：

V＝E₂d₂+E_airx (1.9)

将公式(1.7)(1.8)带入(1.9)得：

如果我们将等式(1.10)的有效厚度常数定义为d0＝d2/εr2，则V-Q-x之间关系可定义为：

在开路条件下不会有电荷的转移，即Q＝0，因此开路电压VOC可表示为：

在短路条件下V＝0，因此转移电荷量QSC可表示为：

则电流可表示为：

输出特性系统性测试

如图10-18所示，不同钝体形状构成的FAB-TENG随风速的变化对应的输出进行了测试，这里将钝体为三棱柱构成的系统记为tri-prism(TF-TENG),长方体为钝体构成的系统记为cuboid(CuF-TENG)，圆柱形钝体构成的系统记为cylinder CF-TENG。值得注意的是，三种类型的风能收集系统切入风速可以低至1m/s，其中cylinder在风速为1m/s时的开路电压，短路电流，转移电荷量分别达到了173V，3μA,75nC,此时的输出功率密度高达231mW/m²,这是目前在如此低风速下最高的输出，随着风速不断地增大(1m/s-7.1m/s)，三种类型的风能收集系统输出电气化均呈上升的趋势，这是因为随着风速的不断增加，钝体绕流与弹簧钢片的耦合效果进一步增强，使得弹簧钢片振动得更加剧烈。但是，当风速达到8.1m/s时，三棱柱和长方体钝体的输出骤降几乎为零，我们基于comsol软件提取出的风速8.1m/s时三棱柱，长方体、圆柱形钝体一侧A点的压强变化曲线发现：三棱柱、长方体在A点处产生的压强可以到到40pa、30pa及以上，要大于圆柱在A点处压强最大值22.5pa,而且还容易看出三棱柱、长方体压力变化曲线不再像风速为1m/s时规律(其中长方体基本没有规律，而且三棱柱压强变化的频率明显强于圆柱、长方体)，这样压强变化的不均匀性直接受钝体绕流的影响，因而三棱柱、长方体在8.1m/s时产生的绕流流场相对于底风速(1m/s)有很大的变化，可能正是由于这种变化严重破坏了绕流流场和弹簧钢片的耦合效果，导致其在大风速下偏向钝体一侧，不再振动，输出近乎为零。而相比较之下圆柱形钝体在A点仍然有规律的压强变化，且压强值较小，绕流流场和低风速时一样有规律的变化，这种变化不仅没有破坏耦合效果反而进一步增强了输出。

在风速1.8m/s时TF-TENG,CuF-TENG CF-TENG输出功率随外部电阻变化的曲线，在匹配阻抗为150欧、150欧、100欧时峰值功率达0.165mW、0.257mW、0.336mW，开路电压，短路电流随外部电阻的变化曲线如图19-21。我们还验证了钝体两侧TENG同时工作的开路电压(图14)，发现无明显变化，说明两侧TENG可以同时工作，互不影响，进一步提高风能收集的效率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种基于钝体绕流效应的微风能量收集摩擦纳米发电机，其特征在于：包括能形成绕流的钝体和悬臂梁摩擦纳米发电机单元，所述钝体的两侧均设置有悬臂梁摩擦纳米发电机单元，所述悬臂梁摩擦纳米发电机单元包括一块支撑板、导电弹性薄片和塑性复合薄片，所述导电弹性薄片和塑性复合薄片相对设置，且它们的一端相对粘贴在支撑板的两侧的中部，另一端为自由端，所述塑性复合薄片包括摩擦层、电极层和高分子薄膜层，所述电极层粘贴在摩擦层和高分子薄膜层之间，所述摩擦层位于靠导电弹性薄片一侧，钝体的两侧的悬臂梁摩擦纳米发电机单元的支撑板呈竖直状态相对间隔固定，所述钝体固定在悬臂梁摩擦纳米发电机单元远离支撑板的一端，所述钝体位于导电弹性薄片和塑性复合薄片的自由端之间，且与导电弹性薄片和塑性复合薄片的自由端之间有间隙，且该间隙的宽度保证在受到绕流影响时，导电弹性薄片和塑性复合薄片相对的面能够相互接触。

2.根据权利要求1所述基于钝体绕流效应的微风能量收集摩擦纳米发电机，其特征在于：还包括底板、所述钝体和悬臂梁摩擦纳米发电机单元固定在底板上，所述导电弹性薄片和塑性复合薄片的下端与底板之前有间隙。

3.根据权利要求2所述基于钝体绕流效应的微风能量收集摩擦纳米发电机，其特征在于：还包括顶板，所述顶板覆盖在钝体和悬臂梁摩擦纳米发电机单元上方，且导电弹性薄片和复合薄片与顶板之间不接触。

4.根据权利要求2或3所述基于钝体绕流效应的微风能量收集摩擦纳米发电机，其特征在于：所述顶板和底板为亚克力板或钢板或铜板，所述支撑板为亚克力板、板玻璃板，塑料板中的一种。

5.根据权利要求4所述基于钝体绕流效应的微风能量收集摩擦纳米发电机，其特征在于：所述电极层为铝箔片或导电ITO薄膜。

6.根据权利要求4所述基于钝体绕流效应的微风能量收集摩擦纳米发电机，其特征在于：所述高分子薄膜层为PP(聚丙烯)薄片、PVC(聚氯乙烯)薄片、PE(聚乙烯)薄片、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)薄片中的一种。

7.根据权利要求1所述基于钝体绕流效应的微风能量收集摩擦纳米发电机，其特征在于：所述钝体为圆柱体形或多面体。

8.根据权利要求7所述基于钝体绕流效应的微风能量收集摩擦纳米发电机，其特征在于：所述多面体为三棱柱和长方体。

9.根据权利要求8所述基于钝体绕流效应的微风能量收集摩擦纳米发电机，其特征在于：所述导电弹性薄片为弹簧钢片、导电ITO膜、单面镀金/银/铜的高分子聚合物薄片中的一种。

10.根据权利要求1所述基于钝体绕流效应的微风能量收集摩擦纳米发电机，其特征在于：所述摩擦层为聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺中的一种。

11.根据权利要求10所述基于钝体绕流效应的微风能量收集摩擦纳米发电机，其特征在于：所述摩擦层和高分子薄膜层的表面积比电极层的表面积大。

12.根据权利要求10所述基于钝体绕流效应的微风能量收集摩擦纳米发电机，其特征在于：所述摩擦层的表面采用等离子刻蚀方法进行表面处理。

13.权利要求1-13所述的基于钝体绕流效应的微风能量收集摩擦纳米发电机作为风速传感器的应用。

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