吳曄盛 劉啟 曹杰 李凱 程廣貴 張忠強(qiáng) 丁建寧 蔣詩(shī)宇

(江蘇大學(xué)智能柔性機(jī)械電子研究院, 鎮(zhèn)江 212013)

隨著全球變暖和能源危機(jī)的到來(lái), 尋找減少碳排放的可再生能源成為人類(lèi)文明面臨的最緊迫挑戰(zhàn)之一.振動(dòng)作為一種常見(jiàn)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(dòng)能量將其轉(zhuǎn)化為電能成為研究熱點(diǎn).基于接觸生電和靜電感應(yīng)原理的摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)為收集振動(dòng)能量提供了一種可行的方法.本文設(shè)計(jì)了一種接觸分離式TENG.推導(dǎo)了TENG的電極間電壓-轉(zhuǎn)移電荷量-板間距離(V-Q-x)之間的關(guān)系, 結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析了負(fù)載電阻、振動(dòng)頻率等因素對(duì)其輸出性能的影響關(guān)系, 當(dāng)振動(dòng)頻率為1—6 Hz時(shí), 每個(gè)工作循環(huán)內(nèi)電荷的轉(zhuǎn)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(shí), 最大輸出功率達(dá)到0.5 mW.運(yùn)用COMSOL軟件對(duì)TENG進(jìn)行模擬仿真, 揭示了其在接觸分離過(guò)程中電勢(shì)以及聚合物表面電荷密度的分布和變化規(guī)律, 為高效收集振動(dòng)能量的摩擦納米發(fā)電機(jī)及自供能振動(dòng)傳感器設(shè)計(jì)提供理論與實(shí)踐支撐.

1 引 言

隨著社會(huì)發(fā)展, 我們生活中存在一系列被忽視的能量如:人行走時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能、穿戴衣服時(shí)產(chǎn)生的摩擦能、材料變形產(chǎn)生的形變能, 車(chē)輛行駛產(chǎn)生的振動(dòng)能等, 它們未被開(kāi)發(fā)或者使用效率低, 但它們無(wú)處不在.由此摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)開(kāi)辟了新道路, 巧妙地利用上述被忽視的能量將其直接轉(zhuǎn)換為電能[1?4], 實(shí)現(xiàn)持續(xù)供給、綠色環(huán)保、輕量化、低成本[5?8]等, 這些特點(diǎn)使其可以成為新的能量補(bǔ)充方式, 作為當(dāng)前最優(yōu)解決方案[9]之一來(lái)滿足能量轉(zhuǎn)換需求.

目前TENG得到迅速發(fā)展并不斷更新, 已巧妙地與其他形式的能量結(jié)合, 如藍(lán)色海洋能[10?12]、風(fēng)能[13?15]、太陽(yáng)能[16]、振動(dòng)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(jié)構(gòu)優(yōu)化[22?24]、管理電路[25,26]等方面入手不斷改進(jìn)TENG輸出性能.另一方面, 為了有效滿足各領(lǐng)域?qū)δ芰康男枨蠛铜h(huán)境適應(yīng)性, 研究者們?cè)O(shè)計(jì)并研發(fā)了一系列TENG并應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品[27]、傳感器[28?31]、生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)[32,33]等.本文設(shè)計(jì)了一種可收集振動(dòng)能的垂直接觸式TENG, 結(jié)合接觸生電和靜電感應(yīng)原理分析了其工作原理, 闡述了TENG的V-Q-x關(guān)系,研究了負(fù)載電阻、振動(dòng)頻率等因素對(duì)TENG輸出性能的影響規(guī)律.最后通過(guò)COMSOL軟件對(duì)TENG進(jìn)行模擬仿真計(jì)算, 分析了TENG在工作中的電勢(shì)以及電能密度的分布和變化情況.并通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了負(fù)載電阻、頻率等因素對(duì)輸出性能的影響.

2 實(shí) 驗(yàn)

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(zhì)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(jīng)過(guò)真空脫氣的PDMS倒在處理過(guò)的硅片上, 利用涂膜儀按照設(shè)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(tái)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(jìn)兩個(gè)摩擦層在不同外力作用下的有效接觸分離作用, 我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖1所示垂直接觸-分離結(jié)構(gòu)基本模型的TENG.

圖1 垂直接觸摩擦納米發(fā)電機(jī) 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(dāng)下電極并作為摩擦層),在其四角分布四個(gè)支撐彈簧, 彈簧內(nèi)部安置一個(gè)螺柱, 其中彈簧有助于儲(chǔ)存機(jī)械能量和保持加卸載過(guò)程中兩個(gè)摩擦層之間的間隙距離均勻, 螺柱限制其在水平方向的運(yùn)動(dòng), 保障了兩表面的可靠接觸.

2.3 TENG測(cè)試平臺(tái)

本文采用商用泰克示波器(Tektronix TBS1102B)對(duì)TENG的輸出電壓進(jìn)行測(cè)量.輸出頻率(1—6 Hz)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為振動(dòng)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(yīng)曲線; 通過(guò)串入不同的電阻(1—1000 MW)獲得不同負(fù)載情況下的輸出性能.TENG的回復(fù)力主要靠彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn), 保持其他條件(如頻率、機(jī)械力等)不變, 施加不同的負(fù)載電阻, 獲得輸出性能隨負(fù)載的響應(yīng)曲線.在其他因素不變的情況下, 通過(guò)改變接觸分離頻率, 計(jì)算單個(gè)周期的電荷轉(zhuǎn)移量來(lái)分析頻率對(duì)輸出性能的影響.

圖2 摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出性能測(cè)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(jī)械力之前, PDMS層和鋁箔沒(méi)有接觸, 因此在兩摩擦層間無(wú)電荷轉(zhuǎn)移, 如圖3(a)所示.在機(jī)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(duì)電荷親和性的差異, 由材料電負(fù)性可知, PDMS得電子表面電勢(shì)為負(fù), 而鋁箔失電子表面電勢(shì)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(chǎn)生較大量的瞬態(tài)電荷轉(zhuǎn)移, 一旦機(jī)械力被釋放, 因彈簧的彈性勢(shì)能, 空氣間隙在兩帶等量異性的摩擦層之間形成, 因而電勢(shì)差在兩摩擦層之間形成, 在電勢(shì)差的驅(qū)動(dòng)下, 上下電極之間形成電荷移動(dòng), 如圖3(c)所示.當(dāng)在TENG上重新施加機(jī)械力時(shí),兩摩擦層之間距離變小, 使得上電極電勢(shì)高于下電極進(jìn)而導(dǎo)致電子從下電極又流回上電極, 如圖3(d)所示.當(dāng)機(jī)械力再次被釋放, 兩摩擦層之間距離較遠(yuǎn), 兩摩擦層電荷重新達(dá)到平衡狀態(tài), 如此往復(fù)進(jìn)行發(fā)電.

圖3 摩擦納米發(fā)電機(jī)工作原理Fig.3.Working principle of friction generator.

3.2 基于Comsol Multiphysics的電學(xué)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(chǎng)軟件Comsol Multiphsics對(duì)TENG進(jìn)行理論模擬仿真,通過(guò)模擬該TENG結(jié)構(gòu)的電勢(shì)分布、電荷分布以及能量等方面來(lái)進(jìn)行理論分析.

首先, 建立如圖4所示的三維模型, 考慮整個(gè)模擬條件的建立是以實(shí)際實(shí)驗(yàn)為根據(jù), 設(shè)定了空氣邊界, 表面電荷密度設(shè)為 10 μC/m2.通過(guò)改變鋁箔與PDMS的距離, 得到兩電極相互接觸后的電勢(shì)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(xué)性能仿真結(jié)果分析

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

通過(guò)模擬仿真可以得到如圖5所示的模擬計(jì)算結(jié)果.由分析結(jié)果可以看出電勢(shì)(開(kāi)路電壓)隨著摩擦層間距離的增大而增大.依據(jù)模擬條件, 電荷均勻分布在聚合物內(nèi)表面, 兩個(gè)絕緣體和空氣間隙內(nèi)部形成電場(chǎng), 轉(zhuǎn)移的電荷量決定電場(chǎng)強(qiáng)度大小, 在電場(chǎng)強(qiáng)度一定的情況下, 電勢(shì)正比于摩擦層間距離, 因此電勢(shì)也逐漸增大, 此種電勢(shì)變化結(jié)果證明了TENG的電學(xué)原理.此外在理論分析中, 常把兩摩擦層當(dāng)作理想模型, 即兩摩擦層面積無(wú)限大, 但在模擬過(guò)程中, 設(shè)計(jì)的幾何參量并不是無(wú)限大, 因此模擬結(jié)果也出現(xiàn)了邊緣效應(yīng), 隨著摩擦層間距離的增加, 出現(xiàn)電勢(shì)向摩擦層中間集中的現(xiàn)象, 該現(xiàn)象主要是因?yàn)殡S著摩擦層間距離的增加,摩擦層的尺寸(面積S)相對(duì)分離距離不再是無(wú)窮大, 實(shí)際的電場(chǎng)線也不再是勻強(qiáng)電場(chǎng), 電場(chǎng)線的分布隨著摩擦層距離的增大也越來(lái)越近似于兩個(gè)點(diǎn)電荷間的電場(chǎng)線分布, 因此會(huì)出現(xiàn)邊緣現(xiàn)象.

為進(jìn)一步驗(yàn)證, 我們對(duì)電能密度進(jìn)行仿真, 結(jié)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(xiàn)向摩擦層中部集中的趨勢(shì), 并且逐漸減小, 與電勢(shì)分布呈現(xiàn)結(jié)果一致.出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因還有空氣擊穿的原因, 與電勢(shì)集中分布情況一樣, 電能密度集中分布很大部分來(lái)源于邊緣效應(yīng), 電能密度逐漸減小與空氣擊穿效應(yīng)有著很大關(guān)系.通常通過(guò)提高摩擦層表面的電荷密度來(lái)增加TENG的能量輸出, 但在此過(guò)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(shù)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(jié)構(gòu)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(gòu)成:一部分是由摩擦產(chǎn)生的電荷量(Sσ), 另一部分是兩個(gè)電極之間轉(zhuǎn)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(shù),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(kāi)路狀態(tài)時(shí), 電荷轉(zhuǎn)移量為Q為0,代入(1)式可得開(kāi)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(tài)下電壓V為0, 代入(1)式可得短路狀態(tài)下電荷轉(zhuǎn)移量QSC:

由電容計(jì)算公式:

可得TENG的電容為

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 TENG輸出電壓以及短路電流

當(dāng)振動(dòng)頻率為 5 Hz 時(shí), TENG(3 cm × 3 cm ×0.1 mm)產(chǎn)生的輸出電壓和短路電流的峰值能夠達(dá)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(gè)周期中輸出電流的放大圖, A, B, C 三點(diǎn)為 Al箔和 PDMS 薄膜初始接觸、完全接觸、完全分離時(shí)的狀態(tài).通過(guò)對(duì)電流曲線積分可得到電荷轉(zhuǎn)移量Q, 電荷量的積分公式為

通過(guò)計(jì)算可得到上下半個(gè)周期內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)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(gè)周期), B–C為完全接觸到完全分離階段(下半個(gè)周期), 利用Origin軟件對(duì)上下半個(gè)周期分別進(jìn)行積分可以得到轉(zhuǎn)移的電荷量分別為0.032 和–0.031 μC, 正負(fù)號(hào)表示電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程相反.結(jié)果表明, 在摩擦納米發(fā)電機(jī)的一個(gè)周期內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移總量近似為0 C, 即上下半個(gè)周期內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移方向相反.而電荷轉(zhuǎn)移量相同, 與電流曲線一致,這進(jìn)一步揭示了上述垂直接觸TENG的工作原理.

4.2 負(fù)載電阻對(duì)TENG輸出性能的影響

TENG是基于接觸起電和靜電感應(yīng)的耦合效應(yīng), 與傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)不同.TENG本身是電容性的, 具有非常高的內(nèi)部阻抗, 因此負(fù)載電阻對(duì)輸出性能的影響較大, 而且存在一個(gè)最優(yōu)電阻匹配問(wèn)題.圖9為T(mén)ENG輸出功率、輸出電流、輸出電壓隨負(fù)載電阻 (1—1000 MW)的變化趨勢(shì).由圖9(a)可以看出電壓隨著電阻的增大而增大, 當(dāng)負(fù)載電阻由1 MW增大到1000 MW時(shí), 輸出電壓從9.4 V逐漸增大到200 V.電流隨著負(fù)載的增大而減小, 當(dāng)負(fù)載電阻由1 MW增大到300 MW時(shí),輸出電流由 9.4 μA 逐漸減小到 0.6 μA.根據(jù)功率和負(fù)載電阻的計(jì)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(jié)果表明輸出功率隨負(fù)載電阻先增大再減小, 并且在33 MW 時(shí), 輸出功率達(dá)到最大, 最大輸出為 0.5 mW.即表明此發(fā)電機(jī)的功率匹配阻值約為33 MW.

圖8 振動(dòng)頻率為 5 Hz 時(shí), TENG 的輸出特性 (a)開(kāi)路電壓; (b)短路電流; (c)一個(gè)周期中電荷轉(zhuǎn)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(yīng)測(cè)試

接觸-分離頻率是影響TENG輸出性能的一個(gè)重要因素.控制TENG其他因素(面積、測(cè)試壓力、環(huán)境因素等)不變的情況下, 對(duì)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(dāng)頻率從 1 Hz增大到 6 Hz時(shí), 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(gè)周期內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移量幾乎不變.為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述理論, 對(duì)不同頻率下單個(gè)周期的電荷量進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖10(c)所示.圖示表明在不同頻率下, 單個(gè)周期內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移量幾乎相同, 與TENG基礎(chǔ)理論得出的結(jié)論一致.TENG是一個(gè)電流源, 它的輸出性能一定程度上取決于電荷轉(zhuǎn)移的數(shù)量、效率、速度等因素.這里電荷的轉(zhuǎn)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(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移的電荷量:

圖9 振動(dòng)頻率為5 Hz時(shí)TENG的輸出性能隨外負(fù)載的變化曲線 (a)摩擦納米發(fā)電機(jī)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(cè)試頻率下的輸出性能 (a)輸出電壓; (b)輸出電流; (c)單個(gè)周期內(nèi)電荷轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移電荷的時(shí)間減小, 也即電流隨頻率的增大而增大, 根據(jù)電學(xué)知識(shí)可得電壓與電流成正比, 因此電壓的變化趨勢(shì)與電流相同.

5 總 結(jié)

設(shè)計(jì)了一種可用于收集振動(dòng)能的接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī), 基于摩擦生電和靜電感應(yīng)原理分析了TENGs的工作原理.研究了外部負(fù)載電阻對(duì)TENG輸出功率的影響, 隨著負(fù)載電阻增加, 電流逐漸降低, 當(dāng)負(fù)載電阻為33 MW時(shí), 輸出功率達(dá)到最大, 最大輸出為 0.5 mW; 當(dāng)振動(dòng)頻率從 1 Hz 增大到 6 Hz 時(shí), 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(duì)垂直接觸模式TENG進(jìn)行模擬仿真計(jì)算, 簡(jiǎn)述了仿真過(guò)程并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了理論分析, 分析了TENG在工作中的電勢(shì)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(chǔ).