清華大學Nano Energy：平均轉換效率達56%的獨立式駐極體旋轉發電機-理論和實驗研究

【引言】

物聯網、可穿戴電子器件和智能應用已經是現代社會不可或缺的一部分，使得對微供能單元的需求日益增加。為了滿足這些器件對能量的需求，收集環境中的能量變得至關重要。到目前為止，基于如電磁感應、壓電效應、摩擦起電等機理的各種納米發電機、微型發電機方興未艾。在它們當中，摩擦納米發電機（TENG）作為一種靜電發電機，是在摩擦起電和靜電感應的耦合作用下工作的。具有高功率密度、低成本、輕質量等優點。當前研究人員已經開發出具有不同結構的發電機，如接觸式、滑移式等。然而這些類型的發電機由于摩擦帶來的熱量以及磨損其壽命大大縮減。

為了避免接觸摩擦造成的問題，利用可以儲存大量電荷的材料，設計出了非接觸式TENG。這種材料被稱為駐極體，這種發電機避免了磨損，大大的提高了發電機的壽命和效率。這里，研究人員構建了一種高開路電壓的獨立式駐極體發電機（FEG），并理論分析了發電機的電流、電壓和平均功率。

【成果簡介】

近日，清華大學精密儀器系葉雄英教授（通訊作者）研究小組構建了一種獨立式駐極體發電機，從發電機的理論模型獲得電流、電壓和平均輸出功率的解析解。該發電機使用具有微納結構的PTFE膜，在750rpm的轉速下，能夠達到650V的開路電壓，10.5mW的輸出功率，56%的轉化效率。同時，通過理論解析得到的結果和實驗結果非常接近。該研究成果以“Freestandingelectret rotary generator at an average conversion efficiency of 56%: Theoretical and experimental studies”為題發表在Nano Energy上。本文的第一作者是清華大學精密儀器系儀器科學與技術專業的博士生畢明朝。

【圖文導讀】

圖1. FEG的結構設計

（a）? FEG的結構由兩部分構成：定子和轉子，從底部開始分別是：PCB基底，銅電極網絡，圖形化駐極體和作為轉子的PMMA基底；

（b）? 放大圖是發電機的一個基本單元。

圖2. FEG的工作原理

（a)???? 初始態：駐極體和電極1對齊，第二部分是三維單元結構和電荷分布；

（b）? 駐極體從初始態旋轉θ后的過渡態；

（c）? 駐極體和電極2對齊的最終態。

圖3. 電荷在電極和駐極體層上的分布

圖4. FEG的等效電路圖

圖5. PTFE膜的表面電壓測量結果

（a）? PTFE膜表面經過電暈放電后，電壓的分布；

（b）? 每次經過處理后，PTFE膜的表面電壓變化；

（c）? PTFE膜表面電壓隨時間的變化。

圖6. 發電機的結構

（a）? 轉子的照片；

（b）? 定子的照片；

（c）? PTFE表面微結構的掃描電鏡圖。

圖7. 電流和電壓的計算結果

（a）? 在不同負載電阻下的電流輸出；

（b）? 在不同負載下的電壓輸出。

圖8. 發電機的平均功率與負載電阻以及轉速的關系

（a）在不同轉速下，平均輸出功率和負載電阻的關系；

（b）匹配電阻、最大平均功率和轉速的關系。

圖9. 實驗測量結果

（a）轉速為750rpm時的短路電流；

（b）轉速為750rpm時的開路電壓；

（c）在不同負載下的輸出電流；

（d）在375rpm的轉速下，電流、電壓的幅值隨負載電阻的變化；

（e）在750rpm的轉速下，電流、電壓的幅值隨負載電阻的變化；

（f）在375rpm和750rpm的轉速下，平均功率隨負載電阻的變化。

圖10. 駐極體發電機點亮LED燈陣列

圖11. 電暈放電對PTFE膜表面電壓的影響

（a）PTFE膜正面和反面的電壓測量，F、B分別代表正面和反面，V_G代表電暈放電的柵壓；

（b）凈電荷密度、表面電勢差和電暈放電柵壓的關系。

圖12. 在不同負載電阻下，實驗測量得到的電流、電壓輸出和計算得到的電流、電壓輸出對比

圖13. 在不同負載電阻下，實驗測量得到的功率和計算得到的功率對比

【小結】

研究人員構建了一種獨立式駐極體旋轉發電機，同時推導出了該發電機電流、電壓和輸出功率的解析解。通過凈電荷替代表面電荷密度，使理論預測的結果和實驗非常接近。這為未來發電機的優化和實際應用提供了明確的方向。

文獻鏈接：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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