馮路橋

隨著智能時代的到來，無線可移動便攜式或可穿戴設(shè)備越來越多地走進人們的日常生活，然而，以何種持續(xù)環(huán)保的方式給這些電子設(shè)備供電，向人們提出了新的問題。中學物理課上講過摩擦生電原理，是否可利用這個原理，設(shè)計一種可持續(xù)、便攜、自驅(qū)動供能裝置，為生活中的一些小型設(shè)備，如智能穿戴、健康監(jiān)測儀器等供能，引起了我的興趣。受到高速旋轉(zhuǎn)的拉哨玩具（圖1）的啟發(fā)，我設(shè)計了一種基于摩擦生電原理的具有高輸出功率的拉哨狀摩擦納米發(fā)電裝置（Whirligiginspired Triboelectric NanogeneratingDevice，Wi-TENG）。它可將低頻拉動轉(zhuǎn)換成高頻轉(zhuǎn)動，其摩擦產(chǎn)生的電能可迅速將1個100 uF商業(yè)電容在10s內(nèi)充電至14V。這種拉哨狀摩擦發(fā)電供能裝置能成功地驅(qū)動智能穿戴、健康監(jiān)測儀器等設(shè)備，展示了作為便攜式能量轉(zhuǎn)換裝置的巨大潛力。

設(shè)計思路

我參考拉哨的運動結(jié)構(gòu)，將拉哨的運動圓盤改成了發(fā)電裝置的獨立層，作為發(fā)電機的驅(qū)動部分。繩子能夠高度螺旋化纏繞，每解1次旋，轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)1圈，短時間內(nèi)，如果繩子能夠快速解旋，那么轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速能夠達到一個較大值。

由于繩子要能夠在短時間內(nèi)快速解旋，所以轉(zhuǎn)子的重量要足夠輕薄，于是我選擇了密度較小、剛度較大的丙烯酸塑料（也稱有機玻璃）作為轉(zhuǎn)子的基底。同樣，基底的厚度越輕薄越好，綜合市面上能購買到的產(chǎn)品的重量和平整度，我確定轉(zhuǎn)子的基底厚度為2mm。而定子的基底雖然不影響電荷輸出的大小，但是出于重量等因素考慮，同樣選擇2mm的厚度。根據(jù)電負性的結(jié)果，摩擦層的材料我選擇了電負性很強的介電材料納米聚四氟乙烯（PTFE）。Wi-TENG將低頻拉動運動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的高頻旋轉(zhuǎn)，從而獲得大的機械運動能。Wi-TENG的電極設(shè)計成放射狀，是為了增大每轉(zhuǎn)1圈累計轉(zhuǎn)移的電荷量，比如1圈分成24個扇形小塊，每轉(zhuǎn)30°（2個小扇形）就會完成1次電荷轉(zhuǎn)換。

材料與方法

選用柔韌性好、高強度和耐磨的棉

聚酯縫紉線（成分為65%的滌綸短纖維和35%的棉纖維）作為纏繞繩，選取厚度為2mm丙烯酸板作為基體。用激光切割機對丙烯酸板進行切割和雕刻后，用物理氣相沉積法將厚度為40μm導電銅層覆蓋在制備的丙烯酸基體表面上。將銅層分為2組，共24個扇形電極，不同組的電極交替排列。然后，厚度為80μm的12個扇形納米聚四氟乙烯薄膜，用厚度100mm的聚酰亞胺膠帶固定在直徑為70mm丙烯酸圓板上。最后，所制備的零件通過螺釘、彈簧和軸承組裝成發(fā)電裝置。

本裝置基本能量轉(zhuǎn)換元件有3部分，包括1個獨立轉(zhuǎn)子和2個同軸定子。轉(zhuǎn)子在1個丙烯酸圓盤每面覆蓋上12個扇形聚四氟乙烯薄膜。為了增強Wi-TENG的電荷輸出性能，用表面電感耦合等離子體反應(yīng)離子刻蝕的方法對聚四氟乙烯薄膜進行處理，得到表面粗糙的結(jié)構(gòu)。定子是由一系列徑向排列的銅箔組成的電極部分。為確保絕緣子部分與電極部分重合，采用激光切割機對聚四氟乙烯薄膜和銅箔的丙烯酸基底進行精確切割和雕刻。

圖2顯示了拉哨狀便攜式供能裝置結(jié)構(gòu)，圖3是該裝置的輪廓及旋轉(zhuǎn)摩擦原理。由于繩子柔韌性很強，可以很容易地沿著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向緊密地螺旋纏繞。當繩在短時間內(nèi)解旋時，轉(zhuǎn)子可以高速旋轉(zhuǎn)，從而達到感應(yīng)電荷迅速在2個電極間來回轉(zhuǎn)移的目的。圖4為制作完成后的電極和轉(zhuǎn)子，圖5展示了制作好的裝置實物。

實驗驗證

對制作好的拉哨狀便攜式供能裝置的電學性能進行探究，我們首先通過控制單一變量法，探究了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子定子間距對該便攜式供能裝置電學性能的影響，隨后結(jié)合理論分析，通過對器件參數(shù)的調(diào)整，得到了最適宜的器件規(guī)格。

經(jīng)過系統(tǒng)測量，實驗研究證明了在施加50N外力的情況下，轉(zhuǎn)子可達到的最高轉(zhuǎn)速約為每分鐘1.1萬轉(zhuǎn)。在這種超高速轉(zhuǎn)速下，Wi-TENG的短路電流的峰值為317μA，開路電壓峰值為153V。在外接電阻阻值為1.2MQ的情況下，拉哨狀摩擦納米發(fā)電機可以提供40.18mW的峰值輸出功率。拉動時它可以點亮近百個商業(yè)發(fā)光二極管，在10s內(nèi)能夠?qū)?個商業(yè)電容器（100 μF）充電到14V。通過電源管理電路，WiTENG成功為家用血糖計完成一次血糖濃度測試供能。此外，本研究也證明了這個便攜式Wi TENG每拉動1個周期（約2s）能供溫度和濕度傳感器工作約47s。

通過對測試數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)累計電荷轉(zhuǎn)移量在每1次拉動循環(huán)中為310μC，每秒輸出能量高達9.9mJ/s。與現(xiàn)有報道的機械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置相比較，本裝置的輸出電荷密度高達9.02μC/cm2，遠高于其他研究結(jié)果，如光纖伸縮法1.182μC/cm2、電容器法0.27μC/cm2和可伸縮硅膠法1.8μC/cm2。

創(chuàng)新點

新體系：受傳統(tǒng)拉哨玩具啟發(fā)，基于摩擦生電原理，構(gòu)造了一個重量輕、便攜帶、拉哨狀的供能裝置。

新效果：該拉哨狀便攜式供能裝置的轉(zhuǎn)子速率最高可達每分鐘11000轉(zhuǎn)，能獲得超高的輸出能量。在可視化演示中，能將96顆LED燈照亮，顯示了在高速旋轉(zhuǎn)摩擦時，有大量電荷產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移，并能持續(xù)供電。

新應(yīng)用：用拉哨狀便攜式供能裝置驅(qū)動健康監(jiān)測等裝置，如血糖計、溫度和濕度計，能得到有效的血糖濃度、溫度和濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)。即通過電源管理后，獲得了自供能健康檢測系統(tǒng)的供能端。

小結(jié)

利用摩擦生電的原理，構(gòu)造的拉哨狀摩擦發(fā)電裝置，具有體積小、重量輕、性能優(yōu)異的特點，它能將低頻的拉伸運動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的高頻旋轉(zhuǎn)摩擦運動，提高了能量的利用率，在智能穿戴、健康監(jiān)測儀器和應(yīng)急電源設(shè)備等領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景。

專家評語

該項目基于生活中的摩擦發(fā)電現(xiàn)象，并受拉哨玩具可將低頻的拉伸運動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的高頻旋轉(zhuǎn)摩擦運動的啟發(fā)，設(shè)計和制作了將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿睦跔钅Σ凉╇娧b置，結(jié)構(gòu)新穎.制作環(huán)保.供電性能好、成本低.易實現(xiàn).輕便。建議可進一步優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)或采用新材料，獲得更高的供電性能。