基于摩擦发电机的低频波浪能收集技术研究
基于摩擦发电机的低频波浪能收集技术研究
学 校：徐州市第一中学
班 级：高一（14）班
组 长：叶 苏 瑶
组 员：魏瑜泽、陈欣悦、王一如、花睿阳
指导教师： 赵 娟
【摘要】主要介绍了一种具有循迹、超声波和红外测距以及自动追踪功能的小车和该车各种功能的测试。该车以两块亚克力板为车体，直流电机及其控制系统为驱动部分，Arduino UNO开发板为该系统的控制核心。在车上装上反射式光电传感器或超声波传感器、红外传感器，并且上传对应的代码后，即可实现实循迹或自动避障功能。利用手机上的 openbot 软件，该车还可以自动跟随人行驶。经过实验，该车的各项功能均可实现，同时也存在一些问题待改进。
一、目的要求
（1）了解摩擦纳米发电机的发展概况、工作模式和工作原理。
（2）掌握接触分离式摩擦纳米发电机的制备方法及测试方法。
（3）掌握表面纳米微结构对摩擦发电输出的影响规律。
（4）掌握摩擦纳米发电机的电路接入和表征演示方法。
二、实验背景与原理
随着柔性电子器件和智能可穿戴产品的蓬勃发展，柔性电子设备如智能手表、运动手环等，受到越来越多的关注，已表现出替代传统电子产品的巨大潜力，但是可穿戴电子器件发展遇到的一个重要挑战是这些器件都必须要配套电源或电池才可以正常工作。尽管可穿戴电子产品的能量消耗逐渐降低、电池的能量输出逐渐提高，但其续航时间仍较短，由此带来电池的频繁充电和更换等问题，无疑使它们在实际应用过程受到一定限制。解决该问题的常规策略是将轻便高效的能量收集器件与高能量的存储装置直接集成到可穿戴电子系统中，组成一个自充电系统等，目前应用最广泛的就是将光伏太阳能电池模块和超级电容器或锂离子电池等结合。然而，传统的光伏电池工作状态取决于天气等外界条件，其间歇性和不可预测性决定其并不总是可用的。如何利用不同的工作机制从环境中收集能量以替代和补偿太阳能不足部分的需求是迫切的。试想，如果可以收集人体运动过程中的机械能，将其转化为电能直接为可穿戴电子设备提供持续电能，上述问题则迎刃而解[1]。
2012年，美国佐治亚理工学院Zhong Lin Wang教授课题组利用摩擦起电和静电感应的耦合作用发明了一种能将机械能转化为电能的摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）[2]。自诞生起，TENG在理论和应用领域均发展迅猛，目前已提出四种基本工作模式，分别是接触分离式、平面滑移式、单电极式和自由摩擦层式，如图4-14-1所示。因其使用最简单的高分子聚合物材料，具有质量轻、体积小、结构简单、集成度高、用材便宜、可收集运动模式多样等特点，通过单独或组合应用，可以广泛的从众多不规则机械能活动中收集能量，为其广泛应用提供了结构基础；随着材料和结构的优化，TENG的电荷密度和功率密度均大幅提升，截至2023年底，其短路电荷密度突破4.0 mC m-2，平均功率密度突破60 μW g-1和150 μW cm-3，为其应用提供了输出基础；通过对比研究TENG和电磁感应发电机在不同工作频率下的输出特性差别，发现其输出功率仅与机械运动频率f成正比，在单位质量或体积或面积条件下，介于人体运动频率范围0.1~2 Hz之间时，电磁感应发电机的输出功率远小于TENG，为其应用提供了完整的理论基础[3]。上述的研究基础，揭示了TENG用于机械能量收集的独特优势。
图4-14-1 摩擦纳米发电机工作模式
我们以接触分离式摩擦纳米发电机为例解释其工作原理，此处选用尼龙（Nylon）和聚四氟乙烯（PTFE）两种在俘获电荷能力方面有较大的差异的聚合物材料，二者背面均镀有片状电极层，如图4-14-2所示，其中σ0为摩擦电荷密度，s为接触面积，ε0、ε1和ε2分别是真空、PTFE和Nylon的介电常数，d1和d2是两种摩擦材料的厚度。在没有压力的条件下，两种聚合物材料保留自由存在的空隙（初始状态）；在外力作用下，两种摩擦材料发生物理接触，因摩擦起电效应，PTFE的表面电荷转移至Nylon，使得PTFE表面密布正电荷，而Nylon表面富含负电荷，因摩擦材料绝缘，摩擦电荷不会流走而是保持在绝缘材料的表面上（压下状态）；当外力释放时，PTFE开始返回，此时在两种材料之间产生电势差，当PTFE完全返回至出初始位置，电势差达到最大，此时我们称作开路电压（Voc）（分离过程）；当作用力立刻加上，电势差又会随着间隔距离的减小而降低（下压过程），直到两种摩擦材料完全接触时，电势差降为0。在两个电极相对运动的过程中，相反的摩擦电荷在两个摩擦面之间产生一个电场，从而在两个电极之间形成一个电势差，为了屏蔽这个电势差，电子就会被驱动着经过外电路从一个电极流到另一个电极，从而产生一个电流信号。在周期性的距离变化过程中，交变电流信号将会持续产生。当完全释放时，二者回复到原始位置时，可获得最大感应电荷密度（σmax）；当二者完全接触时获得最大的电流，我们称为短路电流（Isc）。
图4-14-2 接触分离式摩擦纳米发电机工作原理
时至今日，摩擦纳米发电机的各项性能指标仍在提升，可以广泛的从人类活动、轮胎转动、海浪、机械振动等众多不规则机械能活动中收集能量，有着巨大的实用潜力，展现出良好的商用前景。该技术也入选了中国工程院发布的《全球工程前沿2022》报告中10项研究前沿方向。目前，摩擦纳米发电机可以预想的主要有三大应用领域：第一大领域是作为可持续电源，为有源电子器件传感网络供电，或是作为移动能源，也就是为可穿戴智能设备供电；第二个应用领域是自驱动系统传感，包括健康监测、物联网、环境监测方面等；第三大领域则较为长远，利用大能源发电，如风能、海洋能等，规模收集和转化自然界中机械能的潜力，有望成为绿色能源供给的全新途径。摩擦纳米发电机的诞生，被国内外各界一致评为与手机同等重要的发明，认为其将是影响未来十到三十年的十大重要技术之一，开辟了能源转化和应用的新范畴。
三、仪器与试剂
（1）主要材料：聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚四氟乙烯膜（PTFE）、抛光硅片、DVD光盘、去离子水、导电铝箔、聚酰亚胺膜（Kapton）、Kapton胶带（单面和双面）、漆包全铜线、LED灯泡、面包板。
（2）所需耗材：镊子、剪刀、刀片、手套、口罩、无尘纸。
（3）主要仪器设备：万用表、电热鼓风干燥箱、线性电机（Linear Motor）、数字源表（Keithley 6514）和数据采集卡（NI DAQ PCI express-6259）。
四、实验步骤
（1）材料准备：用乙醇擦拭DVD光盘和硅片，烘干后待用。
（2）摩擦材料制备：将PDMS与固化剂以质量比10:1搅拌混合均匀，分别涂覆到抛光硅片和DVD光盘刻录面，分散均匀后放入60oC烘箱，干燥10 min后将固化膜剥离，利用纳米压印技术制备表面微纳结构，获得光面/具有微栅结构的PDMS/有机硅橡胶膜，利用光学显微镜和SEM对其表面结构进行表征；
（3）器件制备：在2片3×6 cm2大小Kapton膜中间部分粘贴3×3 cm2大小Kapton双面胶带，分别粘贴相同面积大小导电铝箔，利用导电银浆连出导线，在其中一片的铝箔上再次粘贴PTFE膜、光面PDMS、表面微结构PDMS，将两片Kapton膜构成拱形结构固定，得到四个不同器件；
（4）器件驱动：将制备的四个摩擦纳米发电机分别固定于激振器上，在不同工作频率下（0.5 Hz、1 Hz和2 Hz）驱动器件；
（5）数据测试：通过Keithley 6514和NI 6259数据采集卡，经Labview软件对器件的输出特性进行测试，包括开路电压（Voc）、短路电流（Isc）和转移电荷量（Qtr）；
（6）选择输出最好的器件，通过外接电阻箱测试其负载电压（VLoad）和负载电流输出特性（ILoad）；
（7）结果展示：选择输出最好的器件，将其与若干串联LED连接，通过驱动摩擦纳米发电机点亮LED。
五、注意事项
（1）根据本实验器件制备要求，建议PDMS与固化剂的质量比选择5g : 0.5g。
（2）在制备摩擦层时，表面要尽量平整，减少气泡和褶皱。
（3）在制作电极层时，其面积要在一个朝向上大于衬底面积，以便折至衬底方面连接导线。
（4）在器件连接LED展示时，如LED不亮，可调整正负电极连接顺序。
六、结果分析与数据处理
图4-14-3 接触分离式摩擦纳米发电机结构示意图及实物图
图4-13-3是本实验所制备的接触分离式摩擦纳米发电机结构示意图及实物图。从图中可以看出，该器件由亚克力板作为衬底，由Kapton膜作为支撑弹性体，由一组摩擦材料和电极材料构成。基于纳米压印法制备的PDMS摩擦材料形成了沟道宽度为1 μm的阵列微纳结构。通过更换摩擦材料，可以构建不同的摩擦电器件，通过按压-释放器件，可以实现的接触-分离工作。
图4-14-4 基于PTFE的接触分离式摩擦纳米发电机在不同工作频率下电学输出
图4-14-4是基于PTFE材料的的接触分离式摩擦纳米发电机在不同工作频率下电学输出。从图中可以看出，开路电压（Voc）和转移电荷量（Qtr）不随频率的变化而变化，稳定在25 V和7 nC，短路电流（Isc）随频率的增大而增大，频率由0.5 Hz增加至2 Hz，Isc由0.5 μA增加至1.5 μA。其原因是摩擦纳米发电机的Voc决定于其结构，频率对其输出无影响，Qtr由摩擦材料的性质决定，也不受频率影响，而Isc是单位时间内通过的电荷量，故随着频率的增加，其单位时间内通过的电荷量变大，从而Isc输出增大。
图4-14-5 不同材料接触分离式摩擦纳米发电机在相同频率下转移电荷量对比
图4-14-5是不同材料接触分离式摩擦纳米发电机在相同频率下转移电荷量对比图。从图中可以看出，PDMS膜、PTFE膜和Kapton膜三种不同摩擦材料在1 Hz条件下的转移电荷量有明显差别，其中QPDMS最高，可达15 nC，QKapton膜最低，仅为4 nC，其原因是不同材料对表面自由电子的束缚能力不同，在摩擦起电过程中，PDMS相较于PTFE和Kapton更容易得到电子，从而在电学测试中表现出更高的转移电荷量，由此我们可以得到三种材料的摩擦起电序列PDMS＞PTFE＞Kapton。而通过对比光面PDMS和表面微结构PDMS膜在1 Hz条件下的转移电荷量可以发现，具有表面微结构的PDMS膜输出可达25 nC，说明表面微结构可提升有效摩擦起电接触面积，提升转移电荷量。
图4-14-6 基于PTFE的接触分离式摩擦纳米发电机峰值功率密度
图4-14-6是基于PTFE的接触分离式摩擦纳米发电机峰值功率密度曲线。通过在电路中串联可调变阻箱，记录不同电阻值对应的短路电流，根据P=I2·R计算摩擦纳米发电机器件在不同频率条件下的峰值输出功率，除以面积S即可得功率密度。从图中可以看出，随着频率的增加，峰值功率密度不断增大，内阻不断降低，在2 Hz时可达18.3 mW/m2，对应内阻为100 MΩ。
