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研究进展

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程纲教授课题组在Nano Energy上报道摩擦纳米发电机的非接地电压测量法

来源: 河南大学材料学院    日期:2020-07-30   浏览次数:

近期,程纲教授课题组的研究成果“Measuring the Actual Voltage of a Triboelectric Nanogenerator Using the Non-grounded Method”在国际著名刊物Nano Energy (IF=16.602, JCR一区)上发表。

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105108

摩擦纳米发电机(TENG)作为一种全新的机械能收集技术,可以从周围环境中收集各种形式的机械能,包括人体运动,机械振动,轮胎旋转,水滴/水流,风能等,并将其直接转化为电能。TENG的工作机理是接触起电和静电感应效应的耦合,其原理可以追溯到麦克斯韦位移电流。TENG具有重量轻,结构简单,成本低,低频下能量转换效率高等优势。目前已经开发出不同工作模式的TENG,例如垂直接触-分离模式,水平滑动模式,单电极模式和独立层模式。TENG已经在微纳能源、自驱动传感器、蓝色能源和高压电源等领域取得了重大进展。测量TENG的电压值,包括开路电压(Voc)和输出电压,对于评估TENG的性能非常重要。然而,在传统的测量方法中,由于TENG其中一个电极接地,该电极上的电荷会转移到大地,导致测量得到的电压值小于真实值。因此,需要开发测量TENG真实电压的方法,以准确地评估TENG的性能。

在本工作中,通过将TENG的两个电极都与大地断开,提出了测量TENG电压的非接地方法,并开发出三种具体的测量方式。根据Voc和输出电压的测量结果,对于滑动模式和垂直接触-分离模式TENG,非接地方法与接地方法的电压比分别约为2.0和1.5。使用有限元方法(FEM)模拟计算了三种模式TENG的非接地电压和接地电压,模拟结果与测量结果一致。此外,还计算了非接地-接地电压比与TENG的参数之间的关系,这为通过接地方法得到的结果来估算实际电压提供了一种简单的方法。此外,非接地方法已应用于TENG诱导的等离子体中,证明了其测量TENG实际输出电压的能力。本文提出的非接地测量方法可以测量TENG的实际电压,这对于准确评估TENG的性能具有重要意义。

图1以水平滑动独立层模式TENG为例,演示传统的接地法测量TENG的Voc中存在电极与大地之间的电荷转移。(a)在理想情况下测量Voc的等效电路。(b)通过接地法测量Voc的等效电路。(c)在接地法测量TENG的Voc的过程中测量电极-大地之间转移电荷的等效电路,以及测量的转移电荷量。(d)测量TENG的总转移电荷的等效电路以及测量结果。

图2非接地和接地情况下三种模式TENG的Voc的三维模型有限元计算结果。非接地(a)和接地情况下(b)水平滑动独立层模式TENG的电势分布。(c)非接地和接地情况下,水平滑动独立层模式TENG在不同的x/d下的Voc。(d)非接地和接地情况下,水平滑动独立层模式TENG在不同的x/d下的Voc的比值。(e)非接地和接地情况下,Cu-PTFE垂直接触-分离模式TENG在不同的d/x下的Voc的比值。(f)非接地和接地情况下,Nylon-PTFE垂直接触-分离模式TENG在不同的d/x下的Voc的比值。

硕士研究生张文河和顾广钦博士为论文的共同第一作者,程纲教授和杜祖亮教授是本文的共同通讯作者。本工作得到国家自然科学基金委、河南省科技厅和河南大学的经费支持。

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