基于蜂窝状三电极杂化的纳米发电机用于海洋能量收集的研究

摘要

当前人类文明的快速发展以及经济社会的不断进步，很大程度上都依赖着不可再生的化石能源，例如煤炭、石油、天然气等。然而随着时代的进步、社会的发展，这些不可再生的化石能源急剧消耗，并同时引发了一系列的环境污染问题。因此，为了满足人类日益增长的能源需求、坚持可持续发展战略，可再生能源和清洁能源的开发和利用在全世界范围内引起了广泛的关注。海洋面积占地球表面的 70%以上，其中蕴藏着丰富的可再生能源和清洁能源，并以波浪能、潮汐能、海流能、热能和渗透能等形式存在。其中，海洋表面波具有丰富的动能和势能，因此波浪能是海洋能利用的重要组成部分。迄今为止，传统的电磁发电机（EMG）是收集海洋能最主要的技术，然而其体积大、质量重、消耗大，更为重要的是波浪振动方向随机、振动频率较低（<5 Hz），适合采集高频振动能量的电磁发电机很难有效地收集波浪能。与此同时，摩擦纳米发电机（TENG）是基于摩擦起电和静电感应相耦合将机械能转换为电能的器件，具有能量转换效率高、成本低、结构灵活性强、材料选择丰富、低频条件下输出高等优点，广泛地应用于自驱动传感、环境能源等方面。因此，TENG在海洋能收集方面具有独特的优势。本论文以摩擦纳米发电机技术为出发点、以有效收集海洋蓝色能源为根本目的，研究设计了一种有效采集波浪能的新型结构，为大规模收集蓝色能源提供了一种新颖而有效的方法。主要研究工作如下：　　本文提出了一种基于蜂窝状三电极结构杂化的海浪纳米发电机(How-NG)，它由摩擦纳米发电机(TENG)和电磁发电机(EMG)组成。基于独特的电极结构设计， How-NG 拥有两种工作模式——独立层滑移模式和垂直接触分离模式，其分别可收集两种形式的波浪能，即海洋表面波的动能和势能。同时，我们测试了在不同的工作条件下，TENG部分和EMG部分的输出性能。实验结果显示，当滑动位移为3.5 cm、工作频率为4 Hz时，TENG的开路电压可达～550 V，转移电荷量可达～140 nC，并在一个周期内可达到最大的输出能量21.7 μJ；EMG的短路电流可达～4.65 mA，开路电压可达～3 V，当外部负载为350 Ω时，EMG可达到最大的输出功率8.23 μW。再者，蜂窝状三电极结构的设计，使得How-NG可以适应波浪振动的随机性，全方位多角度的采集波浪振动的能量。此外，通过调整磁铁的重量来实现不同的共振参数，处于共振状态下的How-NG可以更有效地收集海洋能量。在实际应用中，How-NG可以在23s内将4.7μF的商业电容器充电到2 V。最后，将两个基本单元垂直地组装在一个密封的圆柱形亚克力外壳内，该装置通过收集水波振动的能量能够驱动上百个绿色 LED。该设备可以大量铺设在海洋上形成收集阵列，有望实现大规模蓝色能源的采集。这项工作为从海洋中大规模收集蓝色能源提供了一种新颖而有效的方法。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 摩擦纳米发电机介绍

1.2.1 摩擦纳米发电机的基本原理

1.2.2 摩擦纳米发电机的分类

1.2.3 摩擦纳米发电机和电磁发电机的比较

1.3 摩擦纳米发电机应用于海洋能的收集

1.3.1 球壳结构的摩擦纳米发电机

1.3.2 基于弹簧结构的摩擦纳米发电机

1.4.1 选题思路

1.4.2 主要研究内容

1.4.3 创新点

2 基于蜂窝状三电极杂化的纳米发电机的制作及工作机理

2.1 实验方法

2.1.1 HOW-NG器件的制作

2.1.2 表征与测量

2.2 How-NG的工作机理

2.2.1 收集波浪动能的工作原理

2.2.2 收集波浪势能的工作原理

2.2.3 电磁发电机的工作原理

2.3 本章小结

3 基于蜂窝状三电极杂化的纳米发电机电学性能的研究

3.1.1 滑动位移对输出的影响

3.1.2 滑动频率对输出的影响

3.1.3 TENG垂直接触分离模式下的输出

3.2.1 滑动位移对输出的影响

3.2.2 滑动频率对输出的影响

3.3.1 共振模型的分析

3.3.2 不同运动角度对共振状态下How-NG输出性能的影响

3.4.1 给商业电容器充电

3.4.2 收集水波振动的能量

3.5 本章小结

4 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

参考文献

附录

A.作者在攻读硕士期间发表的学术论文

B.作者在攻读硕士期间参与的科研项目及获奖情况

C.学位论文数据集

致谢