摩擦-电磁-压电复合式能量采集器的设计研究

摘要

能源作为推动人类发展的源动力，进入新世纪以来，能源供给体系向着化石燃料、水能、风能、太阳能的多元化立体式供给发展，但是依然无法满足社会发展对能源的巨大需求，因此寻找清洁可持续的新能源是人类需要共同面对的课题。自然环境中存在多种形式的能量，其中机械能分布广泛、规模巨大、清洁环保、可直接收集。种种研究表明，对环境振动能量的收集是一种可持续的能量收集方式，受到越来越多的关注。
　　近年来，微能源采集技术也发展迅速，形成了四大类技术分支:摩擦发电技术、电磁式微型发电机、压电式发电机和复合式集成发电技术。2012年，王中林院士课题组首次成功研制摩擦纳米发电机，这一重大发现开启了微能源采集技术的新篇章。摩擦发电技术是基于不同材料间的摩擦起电效应和静电耦合效应，材料表面电荷的聚集形成可变电场，驱动电路中电荷的转移。摩擦发电机具有结构简单、应用广泛、材料多样等优势。可以用于收集人体运动机械能、波浪能、风能等。
　　此外，得益于微电子技术的不断进步，移动智能终端和可穿戴设备得到了迅猛的发展。电子器件的功耗不断降低，对于电能供给方案的续航能力不断提升。传统电池供给方案已经无法满足要求，一种以机械能采集装置为主的新型能源供给方式被提出。能量采集装置直接将环境中的机械能转化为电能供给电子设备工作。本文中提出了一种基于磁悬浮结构的摩擦-电磁-压电复合式能量采集装置，该装置具有体积小、结构轻、灵敏度高、输出功率大等优点，体积为(ψ)4.8cm×2.4cm，重量为80g。
　　本文中提出的复合式能量采集器集成了摩擦、电磁、压电三种能量采集方式。摩擦发电负极材料使用硅胶和碳纳米管复合材料，提高了材料摩擦电性能。电磁单元线圈绕组为定子，铜线绕制约4000匝。压电单元采用PZT压电陶瓷，以铜片为基底。整体结构采用上下对称设计，以磁悬浮结构作为俘能单元，在有限的空间内集成了6个发电单元。
　　本文对复合式能量采集器输出性能进行了测试和分析。讨论了该装置中各个发电单元的（TENG1、TENG2、EMG1、EMG2、PEG1、PEG2）输出性能:开路电压、短路电流和负载功率关系。测试了装置的频率响应关系，计算各个发电单元在最优负载下输出能量。分析计算了该装置在复合后的系统特性，包括:能量转换效率(18％)、电容充电功率(110.39μw)、衰减系数(53.92％)、装置工作可靠性进行了实验测试和计算分析(25h)。最后，使用该复合式能量采集器与计步器和无线传感节点分别组成了自供能系统监测，进行了模拟实验。通过实验测试和分析计算，充分证明了该复合式能量采集器作为智能可移动电子系统供能单元的方案可行性。对于自供能无线传感网络的发展具有现实意思。

目录

声明

摘要

1．1引言

1．2环境振动能量采集器国内外研究现状

1．2．1电磁发电机研究现状

1．2．2摩擦发电机研究现状

1．2．3压电发电机研究现状

1．2．4复合式发电机研究现状

1．3研究意义与研究内容

2．1引言

2．2复合式摩擦薄膜制备及测试

2．2．1硅胶+碳纳米管分散技术

2．2．2一体式摩擦薄膜制备工艺

2．2．3性能测试

2．3本章小结

3．1引言

3．2．1摩擦发电原理

3．2．2电磁发电技术

3．2．3压电发电技术

3．3磁悬浮式三相复合发电机设计与分析

3．3．1磁悬浮结构设计方案

3．3．2磁悬浮结构特性分析及仿真

3．3．3基于磁悬浮结构的摩擦、电磁、压电发电特点分析

3．4本章小结

4．1引言

4．2摩擦、电磁、压电能量采集器的电学性能测试

4．3复合式能量采集器系统分析

4．4功能化应用

4．4．1自供能可穿戴智能终端

4．4．2自供能无线传感系统

4．5本章小结

总结与展望

参考文献

作者简介及在学期间所取得的研究成果

致谢