收集振動能的摩擦納米發電機設計與輸出性能*

吳曄盛 劉啟 曹杰 李凱 程廣貴 張忠強 丁建寧 蔣詩宇

(江蘇大學智能柔性機械電子研究院, 鎮江 212013)

隨著全球變暖和能源危機的到來, 尋找減少碳排放的可再生能源成為人類文明面臨的最緊迫挑戰之一.振動作為一種常見的機械運動形式, 在人們的日常生活中普遍存在.利用多種原理收集振動能量將其轉化為電能成為研究熱點.基于接觸生電和靜電感應原理的摩擦納米發電機(TENG)為收集振動能量提供了一種可行的方法.本文設計了一種接觸分離式TENG.推導了TENG的電極間電壓-轉移電荷量-板間距離(V-Q-x)之間的關系, 結合實驗分析了負載電阻、振動頻率等因素對其輸出性能的影響關系, 當振動頻率為1—6 Hz時, 每個工作循環內電荷的轉移量幾乎相同, 而電壓和電流隨著頻率的增大而增大, 頻率為5 Hz時, 最大輸出功率達到0.5 mW.運用COMSOL軟件對TENG進行模擬仿真, 揭示了其在接觸分離過程中電勢以及聚合物表面電荷密度的分布和變化規律, 為高效收集振動能量的摩擦納米發電機及自供能振動傳感器設計提供理論與實踐支撐.

1 引 言

隨著社會發展, 我們生活中存在一系列被忽視的能量如:人行走時產生的機械能、穿戴衣服時產生的摩擦能、材料變形產生的形變能, 車輛行駛產生的振動能等, 它們未被開發或者使用效率低, 但它們無處不在.由此摩擦納米發電機(TENG)開辟了新道路, 巧妙地利用上述被忽視的能量將其直接轉換為電能[1?4], 實現持續供給、綠色環保、輕量化、低成本[5?8]等, 這些特點使其可以成為新的能量補充方式, 作為當前最優解決方案[9]之一來滿足能量轉換需求.

目前TENG得到迅速發展并不斷更新, 已巧妙地與其他形式的能量結合, 如藍色海洋能[10?12]、風能[13?15]、太陽能[16]、振動能[17]、摩擦能[18]等.為了更好地利用這些能量, 提升其電輸出性能, 研究者們從材料表面[19?21]、結構優化[22?24]、管理電路[25,26]等方面入手不斷改進TENG輸出性能.另一方面, 為了有效滿足各領域對能量的需求和環境適應性, 研究者們設計并研發了一系列TENG并應用于便攜式電子產品[27]、傳感器[28?31]、生物醫學系統[32,33]等.本文設計了一種可收集振動能的垂直接觸式TENG, 結合接觸生電和靜電感應原理分析了其工作原理, 闡述了TENG的V-Q-x關系,研究了負載電阻、振動頻率等因素對TENG輸出性能的影響規律.最后通過COMSOL軟件對TENG進行模擬仿真計算, 分析了TENG在工作中的電勢以及電能密度的分布和變化情況.并通過實驗分析了負載電阻、頻率等因素對輸出性能的影響.

2 實 驗

2.1 PDMS薄膜的制備

將PDMS聚二甲基硅氧烷(Sylgard184, Dow Corning)彈性體和固化劑按10∶1的質量比混合攪拌均勻, 在真空干燥器中真空脫氣 20 min; 為了便于揭膜, 先將硅片浸入在聚十八烷基三氯硅烷(OTS)甲苯溶液中, 使硅表面自組裝一層OTS分子膜, 從而降低硅片的表面能; 將經過真空脫氣的PDMS倒在處理過的硅片上, 利用涂膜儀按照設定好的厚度, 刮出所需要厚度的薄膜; 接著將涂有PDMS混合液的硅片真空脫氣20 min, 取出放在烘膠臺上, 在 80 ℃ 下固化 40 min, 最后將 PDMS膜剝離硅片.

2.2 TENG裝置制備

為了促進兩個摩擦層在不同外力作用下的有效接觸分離作用, 我們設計了如圖1所示垂直接觸-分離結構基本模型的TENG.

圖1 垂直接觸摩擦納米發電機 3D 示意圖Fig.1.3D schematic of vertical contact-separation TENG.

以亞克力板作為上下基板, 將鋁箔和PDMS依次貼在上基板上, 作為上電極和摩擦層; 下基板均勻貼附鋁箔(鋁箔既充當下電極并作為摩擦層),在其四角分布四個支撐彈簧, 彈簧內部安置一個螺柱, 其中彈簧有助于儲存機械能量和保持加卸載過程中兩個摩擦層之間的間隙距離均勻, 螺柱限制其在水平方向的運動, 保障了兩表面的可靠接觸.

2.3 TENG測試平臺

本文采用商用泰克示波器(Tektronix TBS1102B)對TENG的輸出電壓進行測量.輸出頻率(1—6 Hz)的曲柄連桿機構作為振動源, 裝置示意圖如圖2所示, 在空氣濕度RH(45%—48%)、室溫(20 ℃)和大氣壓力下獲得輸出性能隨頻率的響應曲線; 通過串入不同的電阻(1—1000 MW)獲得不同負載情況下的輸出性能.TENG的回復力主要靠彈簧來實現, 保持其他條件(如頻率、機械力等)不變, 施加不同的負載電阻, 獲得輸出性能隨負載的響應曲線.在其他因素不變的情況下, 通過改變接觸分離頻率, 計算單個周期的電荷轉移量來分析頻率對輸出性能的影響.

圖2 摩擦納米發電機輸出性能測試裝置示意圖Fig.2.Schematic diagram of the output performance test system.

3 理論分析

3.1 工作原理

圖3所示為基于PDMS垂直接觸式TENG完整工作原理圖.在施加機械力之前, PDMS層和鋁箔沒有接觸, 因此在兩摩擦層間無電荷轉移, 如圖3(a)所示.在機械力的作用下, 兩摩擦層形成物理接觸, 此階段由于兩摩擦層對電荷親和性的差異, 由材料電負性可知, PDMS得電子表面電勢為負, 而鋁箔失電子表面電勢為正, 如圖3(b)所示.兩種摩擦材料之間的電荷親和性差異較大, 產生較大量的瞬態電荷轉移, 一旦機械力被釋放, 因彈簧的彈性勢能, 空氣間隙在兩帶等量異性的摩擦層之間形成, 因而電勢差在兩摩擦層之間形成, 在電勢差的驅動下, 上下電極之間形成電荷移動, 如圖3(c)所示.當在TENG上重新施加機械力時,兩摩擦層之間距離變小, 使得上電極電勢高于下電極進而導致電子從下電極又流回上電極, 如圖3(d)所示.當機械力再次被釋放, 兩摩擦層之間距離較遠, 兩摩擦層電荷重新達到平衡狀態, 如此往復進行發電.

圖3 摩擦納米發電機工作原理Fig.3.Working principle of friction generator.

3.2 基于Comsol Multiphysics的電學性能仿真

為了更清晰地理解基于PDMS垂直接觸式TENG的原理及性能, 我們使用多物理場軟件Comsol Multiphsics對TENG進行理論模擬仿真,通過模擬該TENG結構的電勢分布、電荷分布以及能量等方面來進行理論分析.

首先, 建立如圖4所示的三維模型, 考慮整個模擬條件的建立是以實際實驗為根據, 設定了空氣邊界, 表面電荷密度設為 10 μC/m2.通過改變鋁箔與PDMS的距離, 得到兩電極相互接觸后的電勢云圖.

圖4 TENG 三維模型示意圖Fig.4.Schematic diagram of the TENGs 3D model.

3.3 TENG的電學性能仿真結果分析

圖5 不同分離距離的電勢分布圖Fig.5.The potential distribution picture with different distance.

通過模擬仿真可以得到如圖5所示的模擬計算結果.由分析結果可以看出電勢(開路電壓)隨著摩擦層間距離的增大而增大.依據模擬條件, 電荷均勻分布在聚合物內表面, 兩個絕緣體和空氣間隙內部形成電場, 轉移的電荷量決定電場強度大小, 在電場強度一定的情況下, 電勢正比于摩擦層間距離, 因此電勢也逐漸增大, 此種電勢變化結果證明了TENG的電學原理.此外在理論分析中, 常把兩摩擦層當作理想模型, 即兩摩擦層面積無限大, 但在模擬過程中, 設計的幾何參量并不是無限大, 因此模擬結果也出現了邊緣效應, 隨著摩擦層間距離的增加, 出現電勢向摩擦層中間集中的現象, 該現象主要是因為隨著摩擦層間距離的增加,摩擦層的尺寸(面積S)相對分離距離不再是無窮大, 實際的電場線也不再是勻強電場, 電場線的分布隨著摩擦層距離的增大也越來越近似于兩個點電荷間的電場線分布, 因此會出現邊緣現象.

為進一步驗證, 我們對電能密度進行仿真, 結果如圖6所示.由圖可以看出, 隨著兩摩擦層間距離的增大, 電能密度呈現向摩擦層中部集中的趨勢, 并且逐漸減小, 與電勢分布呈現結果一致.出現這一現象的原因還有空氣擊穿的原因, 與電勢集中分布情況一樣, 電能密度集中分布很大部分來源于邊緣效應, 電能密度逐漸減小與空氣擊穿效應有著很大關系.通常通過提高摩擦層表面的電荷密度來增加TENG的能量輸出, 但在此過程中也要考慮到空氣擊穿等因素.

圖6 不同距離的電能密度分布圖Fig.6.The energy density distribution picture with different distance.

3.4 數值分析

建立了如圖7所示的垂直接觸式TENGV-Q-x模型, 在該結構中, 金屬鋁(Al)既作為上電極也作為摩擦電極, 其表面的電荷由兩部分構成:一部分是由摩擦產生的電荷量(Sσ), 另一部分是兩個電極之間轉移的電荷量(–Q).故金屬Al電極上的電荷量為Sσ?Q, 兩電極間的電壓為

其中ε0,εr分別為空氣及 PDMS介電常數,σ表示電荷量密度,d0為 PDMS 厚度,x(t) 為上電極與PDMS的距離.開路狀態時, 電荷轉移量為Q為0,代入(1)式可得開路電壓Voc:

圖7 垂直接觸 TENG 的 V-Q-x 模型Fig.7.V-Q-x model of vertical contact TENGs.

短路狀態下電壓V為0, 代入(1)式可得短路狀態下電荷轉移量QSC:

由電容計算公式:

可得TENG的電容為

4 實驗結果與討論

4.1 TENG輸出電壓以及短路電流

當振動頻率為 5 Hz 時, TENG(3 cm × 3 cm ×0.1 mm)產生的輸出電壓和短路電流的峰值能夠達到 196 V 和 9.4 μA, 電壓和電流曲線如圖8(a)和8(b)所示.圖8(c)為一個周期中輸出電流的放大圖, A, B, C 三點為 Al箔和 PDMS 薄膜初始接觸、完全接觸、完全分離時的狀態.通過對電流曲線積分可得到電荷轉移量Q, 電荷量的積分公式為

通過計算可得到上下半個周期內的電荷轉移量如圖8(c)所示.A–B為初始接觸到完全接觸階段(上半個周期), B–C為完全接觸到完全分離階段(下半個周期), 利用Origin軟件對上下半個周期分別進行積分可以得到轉移的電荷量分別為0.032 和–0.031 μC, 正負號表示電荷轉移過程相反.結果表明, 在摩擦納米發電機的一個周期內電荷轉移總量近似為0 C, 即上下半個周期內電荷轉移方向相反.而電荷轉移量相同, 與電流曲線一致,這進一步揭示了上述垂直接觸TENG的工作原理.

4.2 負載電阻對TENG輸出性能的影響

TENG是基于接觸起電和靜電感應的耦合效應, 與傳統的電磁感應發電機不同.TENG本身是電容性的, 具有非常高的內部阻抗, 因此負載電阻對輸出性能的影響較大, 而且存在一個最優電阻匹配問題.圖9為TENG輸出功率、輸出電流、輸出電壓隨負載電阻 (1—1000 MW)的變化趨勢.由圖9(a)可以看出電壓隨著電阻的增大而增大, 當負載電阻由1 MW增大到1000 MW時, 輸出電壓從9.4 V逐漸增大到200 V.電流隨著負載的增大而減小, 當負載電阻由1 MW增大到300 MW時,輸出電流由 9.4 μA 逐漸減小到 0.6 μA.根據功率和負載電阻的計算公式P=U2/R,可以得出輸出功率隨電阻的變化曲線如由圖9(b)所示.結果表明輸出功率隨負載電阻先增大再減小, 并且在33 MW 時, 輸出功率達到最大, 最大輸出為 0.5 mW.即表明此發電機的功率匹配阻值約為33 MW.

圖8 振動頻率為 5 Hz 時, TENG 的輸出特性 (a)開路電壓; (b)短路電流; (c)一個周期中電荷轉移量Fig.8.Out performance of the TENG when the vibration frequency is 5 Hz:(a) The open circuit voltage; (b) the short circuit current of the TEGs; (c) the amount of the charge transferred in one cycle.

4.3 TENG頻率響應測試

接觸-分離頻率是影響TENG輸出性能的一個重要因素.控制TENG其他因素(面積、測試壓力、環境因素等)不變的情況下, 對TENG施加1—6 Hz不同頻率的外力, 獲得不同頻率下的輸出電壓以及電流情況.如圖10所示, 當頻率從 1 Hz增大到 6 Hz時, 輸出電壓從 45 V 增大到 210 V,輸出電流從 2.8 μA 增大到 12.2 μA, 但在 TENG接觸壓力、分離距離等因素不變的情況下, 一個周期內的電荷轉移量幾乎不變.為了進一步驗證上述理論, 對不同頻率下單個周期的電荷量進行計算,結果如圖10(c)所示.圖示表明在不同頻率下, 單個周期內的電荷轉移量幾乎相同, 與TENG基礎理論得出的結論一致.TENG是一個電流源, 它的輸出性能一定程度上取決于電荷轉移的數量、效率、速度等因素.這里電荷的轉移量幾乎相同, 而電壓和電流隨著頻率的增大而增大.電流定義:單位時間內轉移的電荷量:

圖9 振動頻率為5 Hz時TENG的輸出性能隨外負載的變化曲線 (a)摩擦納米發電機的輸出電壓; (b)輸出功率、電流Fig.9.The output performance curves with external load at a frequency of 5 Hz:(a) The output voltage; (b) the output power and current of TENG.

圖10 不同測試頻率下的輸出性能 (a)輸出電壓; (b)輸出電流; (c)單個周期內電荷轉移量Fig.10.The output performance of the TENG under different testing frequency:(a) Output voltage; (b) output current; (c) the amount of transferred charge in a single cycle at different test frequencies.

由(7)式可知隨著頻率的增大, 轉移電荷的時間減小, 也即電流隨頻率的增大而增大, 根據電學知識可得電壓與電流成正比, 因此電壓的變化趨勢與電流相同.

5 總 結

設計了一種可用于收集振動能的接觸分離式摩擦納米發電機, 基于摩擦生電和靜電感應原理分析了TENGs的工作原理.研究了外部負載電阻對TENG輸出功率的影響, 隨著負載電阻增加, 電流逐漸降低, 當負載電阻為33 MW時, 輸出功率達到最大, 最大輸出為 0.5 mW; 當振動頻率從 1 Hz 增大到 6 Hz 時, 輸出電壓顯著提高, 從 45 V 增大到210 V, 輸出電流從 2.8 μA 增大到 12.2 μA.采用COMSOL軟件對垂直接觸模式TENG進行模擬仿真計算, 簡述了仿真過程并對仿真結果進行了理論分析, 分析了TENG在工作中的電勢以及電能密度的分布和變化情況, 為提高TENG輸出性能提供了理論基礎.