基于静电放电的摩擦发电机性能提升器的研究与设计

摘要

近些年来，智能设备、便携设备、可穿戴设备已然成为新物联网时代的重要产物，在我们的生活也越来越普及。作为新时代主要的高新技术，半导体技术和微纳米工艺在过去的十年里同样取得突飞猛进的发展，不仅提升电子设备的性能和集成度，而且是降低电子系统功耗的主要方式之一。然而，即使单个设备的功耗可以降至很低的水平，庞大的用户和使用量必定带来庞大的能源消耗。且到目前为止，便携式电子设备主要还是依靠电池供电，续航差、寿命短、安全性不高及污染严重等问题一直存在，且无法有效的解决，已成为能源发展的瓶颈。庆幸的是，现在的低功耗器件已发展至毫瓦、甚至微瓦级别，为实现无线无源的自供电系统奠定了基础。 事实上，自供电系统在过去的几年中已经得到了广泛的发展发展，但是受限于传统发电机体积庞大、成本高昂等特点，并不能满足便携式使用的需求，无法运用于我们的日常生活当中。因此，微能源的采集、存储、利用等技术在近年来被提出并迅速发展开来。根据发电原理，微能源的换能方式主要分为电磁效应、压电效应和摩擦起电效应三大类。其中，基于摩擦起电效应的摩擦纳米发电机作为一种新型的发电技术，于2012年由中科院王中林院士提出，拥有结构简单、体积微小、输出电压大、响应频率高等特点，是实现微小机械能量采集的最优方式之一，为实现无线无源的自供电系统开启了新的篇章。然而，内阻高、输出电流小，依然遍及与各式各样的摩擦发电机，致使其产生的能量无法得到高效率的输出，这也是其至今没有得到广泛运用的主要原因之一。 因此，本文中提出了“基于静电放电效应的摩擦纳米发电机性能提升器”的概念，借鉴避雷针的原理设计并制作了“针尖结构”用于对传统摩擦发电机电能的提取，从而实现对其输出性能的提升。为了验证针尖结构对摩擦发电机的影响，在后续的研究过程中进行了多组对照实验，对开路电压、短路电流、频率响应、负载功率等输出特性进行了研究。实验结果表明，得益于尖端放电效应，针尖结构在摩擦纳米发电机的驱动下可以稳定工作并体现出了极其优异的提升效果，将传统摩擦发电机的开路电压从~300V提升至~1300V；最大持续输出功率可提升330.76％；负载电路的最优匹配阻抗从100MΩ降低至10KΩ，使得传统摩擦发电机可以更为广泛的运用于传统的电路系统中。这对实现基于静电放电和摩擦起电效应的自供电系统有着重要的意义。 此外，针尖结构凭借着其原理简单、结构小巧、使用方便等特点，其安置过程并不会影响原本电路系统及发电单元的结构，在实现摩擦纳米发电机的推广运用方面有着极大的潜力。为了更好的体现出针尖结构的实际应用效果，文章的最后进行了多项仿真性实验，验证了使用针尖结构后，摩擦纳米发电机对普通电路系统的驱动能力，为摩擦纳米发电机的推广运用奠定了坚实的基础。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 微小型发电机研究现状

1.2.1 震动式微小型发电机

1.2.2 新型纳米发电机

1.2.3 摩擦纳米发电机

1.2.4 摩擦发电机提升现状

1.3 研究意义与研究内容

2 接触分离式摩擦纳米发电机的制备

2.1 引言

2.2摩擦纳米发电机工作原理

2.3 垂直接触-分离式摩擦纳米发电机的制备

2.3.1 电介质材料的选择

2.3.2 电极材料选择及结构优化

2.3.3 性能测试

2.4 本章小结

3 针尖结构性能提升器的原理与设计

3.1 引言

3.2 基于静电放电的针尖结构

3.2.1 静电放电的机理

3.2.2 摩擦发电机与闪电形成过程的类比

3.2.3 针尖结构对摩擦发电机的提升机理

3.2.4 尖端效应对气体放电过程的影响

3.2.5 针尖结构的制备与安置

3.3 总结

4 针尖结构性能提升特性

4.1 引言

4.2 针尖结构的性能提升测试

4.2.1 瞬态输出的提升能力

4.2.2 最优匹配阻抗的优化

4.2.2 持续输出的提升效果

4.3 验证性实验

4.3.1 无源照明系统

4.3.2 无线无源的自供电蓝牙基站

4.4 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