清华大学Nano Energy：平均转换效率达56%的独立式驻极体旋转发电机-理论和实验研究

【引言】

物联网、可穿戴电子器件和智能应用已经是现代社会不可或缺的一部分，使得对微供能单元的需求日益增加。为了满足这些器件对能量的需求，收集环境中的能量变得至关重要。到目前为止，基于如电磁感应、压电效应、摩擦起电等机理的各种纳米发电机、微型发电机方兴未艾。在它们当中，摩擦纳米发电机（TENG）作为一种静电发电机，是在摩擦起电和静电感应的耦合作用下工作的。具有高功率密度、低成本、轻质量等优点。当前研究人员已经开发出具有不同结构的发电机，如接触式、滑移式等。然而这些类型的发电机由于摩擦带来的热量以及磨损其寿命大大缩减。

为了避免接触摩擦造成的问题，利用可以储存大量电荷的材料，设计出了非接触式TENG。这种材料被称为驻极体，这种发电机避免了磨损，大大的提高了发电机的寿命和效率。这里，研究人员构建了一种高开路电压的独立式驻极体发电机（FEG），并理论分析了发电机的电流、电压和平均功率。

【成果简介】

近日，清华大学精密仪器系叶雄英教授（通讯作者）研究小组构建了一种独立式驻极体发电机，从发电机的理论模型获得电流、电压和平均输出功率的解析解。该发电机使用具有微纳结构的PTFE膜，在750rpm的转速下，能够达到650V的开路电压，10.5mW的输出功率，56%的转化效率。同时，通过理论解析得到的结果和实验结果非常接近。该研究成果以“Freestandingelectret rotary generator at an average conversion efficiency of 56%: Theoretical and experimental studies”为题发表在Nano Energy上。本文的第一作者是清华大学精密仪器系仪器科学与技术专业的博士生毕明朝。

【图文导读】

图1. FEG的结构设计

（a）  FEG的结构由两部分构成：定子和转子，从底部开始分别是：PCB基底，铜电极网络，图形化驻极体和作为转子的PMMA基底；

（b）  放大图是发电机的一个基本单元。

图2. FEG的工作原理

（a)     初始态：驻极体和电极1对齐，第二部分是三维单元结构和电荷分布；

（b）  驻极体从初始态旋转θ后的过渡态；

（c）  驻极体和电极2对齐的最终态。

图3. 电荷在电极和驻极体层上的分布

图4. FEG的等效电路图

图5. PTFE膜的表面电压测量结果

（a）  PTFE膜表面经过电晕放电后，电压的分布；

（b）  每次经过处理后，PTFE膜的表面电压变化；

（c）  PTFE膜表面电压随时间的变化。

图6. 发电机的结构

（a）  转子的照片；

（b）  定子的照片；

（c）  PTFE表面微结构的扫描电镜图。

图7. 电流和电压的计算结果

（a）  在不同负载电阻下的电流输出；

（b）  在不同负载下的电压输出。

图8. 发电机的平均功率与负载电阻以及转速的关系

（a）在不同转速下，平均输出功率和负载电阻的关系；

（b）匹配电阻、最大平均功率和转速的关系。

图9. 实验测量结果

（a）转速为750rpm时的短路电流；

（b）转速为750rpm时的开路电压；

（c）在不同负载下的输出电流；

（d）在375rpm的转速下，电流、电压的幅值随负载电阻的变化；

（e）在750rpm的转速下，电流、电压的幅值随负载电阻的变化；

（f）在375rpm和750rpm的转速下，平均功率随负载电阻的变化。

图10. 驻极体发电机点亮LED灯阵列

图11. 电晕放电对PTFE膜表面电压的影响

（a）PTFE膜正面和反面的电压测量，F、B分别代表正面和反面，V_G代表电晕放电的栅压；

（b）净电荷密度、表面电势差和电晕放电栅压的关系。

图12. 在不同负载电阻下，实验测量得到的电流、电压输出和计算得到的电流、电压输出对比

图13. 在不同负载电阻下，实验测量得到的功率和计算得到的功率对比

【小结】

研究人员构建了一种独立式驻极体旋转发电机，同时推导出了该发电机电流、电压和输出功率的解析解。通过净电荷替代表面电荷密度，使理论预测的结果和实验非常接近。这为未来发电机的优化和实际应用提供了明确的方向。

文献链接：Freestanding-electret rotary generator at an average conversion efficiency of 56%: theoretical and experimental studies （Nano Energy,2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.09.057）

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