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科学研究

杨泽:新型运动解耦式电荷泵技术提高TENG的输出性能【Nano Energy,2022】
2022-06-14 阅读:5297

步入5G和万物互联的物联网时代,各种分布式传感器、可穿戴电子设备愈加普及,长期稳定的电能供给成为产业发展面临的关键技术挑战。作为一种新兴低频机械能量高效收集技术,摩擦纳米发电机(TENG)被认为是一种环境友好、极具潜力的低功率分布式能源需求的解决方案。但早期的TENG技术受制于摩擦介电材料的表面电荷密度较低,静电感应电流有限,输出性能有待提高等。为了提高表面电荷密度,传统方法集中在材料种类选择、介电薄膜表面改性、发电结构优化以及工作环境控制等方面,但其对电能输出的提升有限。最近兴起的电荷泵技术有望突破其瓶颈,进一步提高其输出性能,然而大多数的电荷泵技术都采用同模式的泵、主TENG,同时两者间为同步耦合运动关系,这一方面降低电荷的产生、存储与转移效率,另一方面介电材料间持续性地接触摩擦,增加磨损缩短使用寿命。因此,探索新的电荷密度增强机制与方法具有重要的科学研究意义和应用价值。

针对以上问题,金沙最新登录入口-【金沙游艺场】工程技术学院博士研究生杨泽在导师杨义勇教授、王成彪教授指导下,联合外校季林红教授、程嘉副研究员等,提出了一种新型运动解耦式电荷泵技术,可显著提升TENG瞬时输出电流与功率,同时间歇式地接触摩擦减小材料磨损提高使用寿命。该技术优势主要体现在以下几个方面:

1.     该技术基于电荷泵的思想,采用不同工作模式的泵、主TENG结构,分别为独立摩擦层模式和接触分离模式,同时两者间为运动不同速的非耦合关系(图1。这一方面使得在主TENG具有最大等效电容时实现最高的电荷产生、存储与转移效率;另一方面介电材料间的间歇式接触摩擦减小了磨损,增加了使用寿命。

2.     通过设计的升压电路模块来提高可变电容器主TENG和与之串联的缓存电容器两端的电压以存储更多电荷,增加参与流动的电荷总量;同时依据串联电容器效应,主TENG两端因极板的接触分离而导致的电压变化会引起缓存电容器两端的电压变化,当电压超过放电管的导通电压时,会有电流流过放电管和负载,对外输出电能(图2)。

3.     利用放电管的放电开关效应,能够实现千倍地提升TENG的瞬时输出电流和功率,同时计算得到的平均输出功率密度为21.25 W/m2且电荷密度为628.7μC m-2;输出电能可在低频运动(转速为100 rpm)条件下持续供能211个大LED灯或936 个小LED灯、电子表、温湿度传感、荧光灯管等低功率电子元器件(图3)。

论文基于电荷泵基本原理,主要从TENG的新型电能产生方式和电源管理电路两方面来着手进行研究,论文研究成果对于探索提高TENG输出性能的新型工作机制与方法具有一定的参考和借鉴价值。


图1 解耦式电荷泵的结构与工作原理图




图2 解耦式电荷泵的电能输出特征




图3 解耦式电荷泵输出电能的应用测试

 

上述研究成果发表在能源材料领域国际权威刊物《Nano Energy》上:Yang Ze, Yang Yiyong*, Liu Fan, Li Bo, Li Yinbo, Liu Xu, Chen Jiaqi, Wang Chengbiao, Ji Linhong, Wang Zhong Lin*, Cheng Jia*. Thousandfold boosting instantaneous current of triboelectric nanogenerator based on decoupled charge pump and discharge tube. Nano Energy, 2022, 98: 107264. [IF2020=17.881].

全文链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107264


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