陳延輝 謝偉博 代克杰 高玲肖? 盧山 陳鑫 李宇航 牟笑靜4)?

1) (重慶大學(xué), 光電技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶大學(xué)新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400044)

2) (平高集團(tuán)智能電力科技有限公司, 平頂山 467001)

3) (平頂山學(xué)院電氣與機(jī)械工程學(xué)院, 平頂山 467000)

4) (機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400044)

5) (中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院, 北京 100074)

1 引 言

隨著萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代拉開(kāi)序幕, 各種用于交互通訊的傳感器的需求數(shù)量急劇增加. 作為傳感系統(tǒng)的命脈, 可靠的能源供給是交互通訊網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵因素. 然而目前大部分無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)仍采用電池供電, 一方面, 電池有限的壽命給海量無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電池更換或充電提出了巨大的挑戰(zhàn); 另一方面, 化學(xué)能電池不僅難以抵抗高、低溫等惡劣環(huán)境, 而且會(huì)給環(huán)境造成污染. 因此無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電問(wèn)題已成為制約物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的瓶頸[1,2]. 環(huán)境振動(dòng)能量是一種儲(chǔ)量豐富、分布廣泛的可再生清潔能源, 通過(guò)能量采集技術(shù), 將環(huán)境中的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能, 為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電, 是打破傳統(tǒng)供電方式限制的有效解決途徑[3?5].

電磁-摩擦復(fù)合能量采集技術(shù)已被證明是實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量高效獲取與轉(zhuǎn)換的有效途徑[6?9]. 摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENGs)具有較高的輸出電壓, 但是輸出電流只有微安級(jí)[10?11], 而電磁發(fā)電機(jī)(EMGs)的輸出電流可達(dá)毫安級(jí)[12?15], 兩者的組合可以滿足較高能量轉(zhuǎn)換的需求. 被譽(yù)為“納米發(fā)電機(jī)之父”的王中林院士[16]首先提出“納米能源”原創(chuàng)概念,并將納米能源推廣為“新時(shí)代的能源, 即物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)時(shí)代的分布式移動(dòng)式能源”, 由此開(kāi)啟了人類能源模式新篇章. 2018年王中林院士團(tuán)隊(duì)[17]提出了一種具有內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的摩擦-電磁復(fù)合納米發(fā)電機(jī), 成功實(shí)現(xiàn)了兩種發(fā)電原理的優(yōu)勢(shì)補(bǔ)償. 其中電磁發(fā)電機(jī)在100 W的最優(yōu)負(fù)載下, 峰值功率為4 mW, 摩擦發(fā)電機(jī)在的最優(yōu)負(fù)載100 MW 下, 峰值功率為 0.5 mW. 2018 年中北大學(xué)薛晨陽(yáng)教授和丑修建教授團(tuán)隊(duì)[18]共同報(bào)道了一種用于收集水波能量的盒狀摩擦-電磁復(fù)合納米發(fā)電機(jī). 在負(fù)載為 100 MW 時(shí), TENG 的瞬時(shí)最大輸出功率為 0.08 mW, 在 1 kW 的負(fù)荷下, EMG 的瞬時(shí)最大輸出功率為14.9 mW, 該復(fù)合納米發(fā)電機(jī)可同時(shí)點(diǎn)亮60個(gè)發(fā)光二極管(LEDs). 2019年蘇州大學(xué)孫立寧教授, 劉會(huì)聰教授與新加坡國(guó)立大學(xué)Chengkuo Lee教授[19]共同提出了一種旋轉(zhuǎn)式電磁-摩擦電復(fù)合型能量采集器, 當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率為2 Hz,振幅為14 cm時(shí), TENG和EMG的最大功率密度分別為3.25和79.9 W/m2, 證明了該裝置從多方向和寬頻率范圍環(huán)境中獲取能量的有效性; 2020年重慶大學(xué)牟笑靜課題組[20]提出了一種基于混沌擺式的電磁-摩擦復(fù)合能量采集器, 摩擦發(fā)電機(jī)的最大瞬時(shí)功率為15.21 μW, 電磁發(fā)電機(jī)的最大瞬時(shí)功率為1.23 mW, 成功實(shí)現(xiàn)了自供電無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸.

雖然近年來(lái)基于電磁-摩擦復(fù)合式的振動(dòng)能量收集技術(shù)已經(jīng)取得了一些階段性的進(jìn)展, 但是其工程化應(yīng)用依然面臨著眾多挑戰(zhàn): 1)現(xiàn)有的能源收集裝置只有在較高頻且規(guī)則振動(dòng)環(huán)境中才有較好的輸出, 而隨機(jī)、不規(guī)則的環(huán)境振動(dòng)往往處于超低頻(<10 Hz), 因此高頻諧振器件很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的環(huán)境振動(dòng)能量的高效獲取與轉(zhuǎn)換; 2)大多數(shù)能源收集裝置采用具有較高摩擦阻力和較低靈敏度的滑動(dòng)結(jié)構(gòu), 對(duì)于低頻的微弱環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)效果差;3)雖然一些基于滾動(dòng)起電的器件具有較高的魯棒性, 較低的材料磨損, 但它們往往只能在固定的方向滾動(dòng), 針對(duì)復(fù)雜多變的環(huán)境振動(dòng)很難實(shí)現(xiàn)較高的換能效率.

綜合以上分析, 針對(duì)復(fù)雜多變的環(huán)境振動(dòng)能量, 本文提出了一種非諧振式低頻電磁-摩擦復(fù)合振動(dòng)能量采集裝置. 采用具有靈敏度高、魯棒性強(qiáng)、可360°旋轉(zhuǎn)俘能等特性的旋轉(zhuǎn)陀螺結(jié)構(gòu), 結(jié)合電磁-摩擦工作原理, 使系統(tǒng)能夠高效地俘獲低頻、不規(guī)則的環(huán)境振動(dòng)能. 通過(guò)理論分析與軟件仿真,闡述了器件的工作原理; 基于線性電機(jī)平臺(tái), 系統(tǒng)地研究了振蕩頻率和幅度對(duì)器件輸出性能的影響,較好地證明了器件收集振動(dòng)能量的能力. 在2 Hz的振動(dòng)環(huán)境下, 摩擦發(fā)電單元在20 MW負(fù)載下的峰值功率為 0.084 mW, 電磁發(fā)電單元在 800 W 負(fù)載下峰值功率為4.61 mW, 系統(tǒng)機(jī)電轉(zhuǎn)換效率為0.45%. 將器件分別置于人體的腿部和手臂, 分析了復(fù)合能量收集器件對(duì)于人體簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)能量的收集能力, 并結(jié)合能量存儲(chǔ)單元, 實(shí)現(xiàn)了計(jì)步器自供能的正常工作. 本項(xiàng)研究不僅為低頻振動(dòng)能量的高效采集與轉(zhuǎn)換提供了一個(gè)嶄新的思路, 而且在自供電傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值.

2 設(shè)計(jì)與原理

2.1 結(jié)構(gòu)模型

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)波浪能的高效獲取與轉(zhuǎn)換, 本文提出了一種非諧振式低頻電磁-摩擦復(fù)合振動(dòng)能量收集器件, 其結(jié)構(gòu)模型如圖1(a)所示, 結(jié)構(gòu)分解圖如圖1(b)所示. 其核心結(jié)構(gòu)主要包括: 一個(gè)集自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)為一體的空心旋轉(zhuǎn)陀螺 (f35 mm × 40 mm),4 個(gè) 1000 匝的線圈 (f20 mm × 20 mm), 一個(gè)圓柱形釹鐵硼磁鐵 (f18 mm × 20 mm), 一個(gè) PCB電極板 (f100 mm), 一個(gè)圓柱形框架 (f110 mm ×40 mm)和一些連接部件(圖1(c)). 空心旋轉(zhuǎn)陀螺與圓柱形框架均采用3D打印技術(shù)由白色樹脂打印而成. 在圓柱形框架的底部粘貼有一塊鍍有叉指錫層的PCB板, 用來(lái)作為摩擦電極, 其與粘貼在空心陀螺的外表面的FEP薄膜共同組成摩擦單元. 磁鐵采取與陀螺母線方向垂直的方式用熱熔膠固定于空心陀螺內(nèi)部, 其與等距粘貼在圓柱形框架底部外側(cè)的4個(gè)線圈共同組成電磁發(fā)電單元(圖1(c)所示). 陀螺采用螺釘和套環(huán)連接方式固定在圓柱形框架的中心, 從而實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)滾動(dòng)與公轉(zhuǎn)滾動(dòng). 為了減小陀螺在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的阻力, 將一個(gè)具有中孔(f3.5 mm)的圓球 (f4.5 mm)放置于連接環(huán)與螺帽之間. 整個(gè)系統(tǒng)的正反面實(shí)物照片如圖1(d), (e)所示. 在外界激勵(lì)的作用下, 旋轉(zhuǎn)陀螺將繞其頂點(diǎn)順時(shí)針或逆時(shí)針滾動(dòng), 從而實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)俘能.

圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 (a) 電磁-摩擦復(fù)合能量收集器模型圖; (b) 復(fù)合能量收集器結(jié)構(gòu)分解示意圖; (c) 陀螺刨面圖; (d), (e) 電磁-摩擦復(fù)合能量收集器的正反面照片F(xiàn)ig. 1. The structure model of the system: (a) The model diagram of the hybridized nanogenerator; (b) schematic diagram of structural decomposition of the hybridized nanogenerator; (c) the cross-section of the gyro; (d), (e) digital photograph of the TENG and EMG hybridized nanogenerator.

2.2 理論分析

本文所提出的基于旋轉(zhuǎn)陀螺結(jié)構(gòu)的滾動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)模型可以等效為一個(gè)獨(dú)立滾動(dòng)摩擦層(FEP)與一些金屬電極對(duì)(錫)之間的滾動(dòng)摩擦起電過(guò)程.每相鄰的一對(duì)叉指電極與陀螺外層的摩擦材料(FEP)即可構(gòu)成一個(gè)發(fā)電單元, 以一個(gè)發(fā)電單元為例詳細(xì)闡述其起電原理, 如圖2(a)所示. 當(dāng)陀螺滾動(dòng)到電極1上時(shí), 由材料電負(fù)性可知, 金屬錫相對(duì)FEP具有更強(qiáng)的正電荷親和性[21], 因此會(huì)在電極1上積累一定數(shù)量的正電荷, 在FEP上積累相同數(shù)量的負(fù)電荷(圖2(a) Ⅰ); 當(dāng)陀螺在外界激勵(lì)作用下從電極1向電極2上滾動(dòng)時(shí), 電極1上的正電荷將會(huì)通過(guò)外部電路由電極1流向電極2, 形成發(fā)電的前半周期(圖2(a) Ⅱ); 當(dāng)陀螺由電極1完全滾動(dòng)到電極2上后, 電極1上的正電荷也全部轉(zhuǎn)移至電極2上(圖2(a) Ⅲ); 隨后陀螺在外界激勵(lì)的作用下繼續(xù)滾動(dòng)離開(kāi)電極2, 電極2上的正電荷會(huì)通過(guò)外部電路回流到電極1, 從而在外部電路中產(chǎn)生反向電流(圖2(a) Ⅳ). 因此當(dāng)陀螺在外部激勵(lì)的作用下, 在叉指電極上滾動(dòng)時(shí), 會(huì)產(chǎn)生交流發(fā)電過(guò)程. 采用 COMSOL 5.3 a 對(duì)圖 2(a)Ⅲ狀態(tài)下的表面電勢(shì)分布進(jìn)行了仿真, 仿真結(jié)果如圖2(b)所示.

電磁發(fā)電機(jī)的起電過(guò)程為: 當(dāng)陀螺在外部激勵(lì)下滾動(dòng)時(shí), 鑲嵌在其內(nèi)部的磁鐵會(huì)隨著其一起滾動(dòng), 從而導(dǎo)致線圈內(nèi)部磁通量的變化, 由楞次定律可知, 線圈中將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流來(lái)阻礙磁通量的變化, 以一個(gè)線圈為例, 詳細(xì)闡述其起電過(guò)程, 如圖2(c).假設(shè)磁鐵正對(duì)線圈時(shí)為初始狀態(tài), 此時(shí)線圈中沒(méi)有感應(yīng)電流(圖2(c) Ⅰ); 當(dāng)陀螺在外部激勵(lì)下產(chǎn)生滾動(dòng)時(shí), 磁鐵會(huì)隨著陀螺的滾動(dòng)遠(yuǎn)離線圈, 這時(shí)線圈內(nèi)的磁通量將會(huì)減小, 因此線圈內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針?lè)较虻碾娏鱽?lái)阻礙這種變化, 如圖2(c) Ⅱ所示; 當(dāng)陀螺繼續(xù)滾動(dòng)的足夠遠(yuǎn)時(shí), 線圈中磁通量為零, 這時(shí)磁鐵的運(yùn)動(dòng)不會(huì)使得線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流 (圖 2(c) Ⅲ); 當(dāng)磁鐵再次靠近線圈時(shí), 線圈內(nèi)將產(chǎn)生的一個(gè)逆時(shí)針的電流來(lái)平衡磁通量的變化(圖 2(c) Ⅳ). 利用 Maxwell 15.0 軟件對(duì)磁體的磁通線分布進(jìn)行了仿真, 如圖2(d)所示.

由滑動(dòng)摩擦解析方程可知[22], 摩擦發(fā)電機(jī)通過(guò)外部的電流可以表示為

式中,s為表面電荷密度,w為摩擦層的寬度,l為摩擦層的長(zhǎng)度,v為陀螺的滾動(dòng)速度,t為陀螺從電極1滾動(dòng)到電極2上的時(shí)間. 由歐姆定律可知, 輸出電壓為

圖 2 復(fù)合能量收集器的工作原理及其仿真 (a) 摩擦發(fā)電單元的工作原理; (b) 摩擦發(fā)電單元的仿真; (c)電磁發(fā)電單元的工作原理; (d) 電磁發(fā)電單元的其仿真Fig. 2. The operating principle and simulation of the hybridized nanogenerator: (a) The operating principle of the TENG; (b) the simulation of the TENG; (c) the operating principle of the EMG; (d) the simulation of the EMG.

假設(shè)表面電荷密度為50 μC/m2, 由于本設(shè)計(jì)裝置中陀螺的母線長(zhǎng)度為0.04 m, 摩擦層FEP薄膜貼在陀螺側(cè)表面, 因此可以設(shè)定摩擦長(zhǎng)度l為0.04 m; 由于地面單個(gè)電極為半徑為 0.05 m, 圓心角度為60°的扇形, 因此可取扇形中位線的長(zhǎng)度0.025 m為摩擦層的寬度w, 陀螺從電極1滾動(dòng)到電極 2上的時(shí)間為 0.0001 s, 外部負(fù)載電阻為100 MW, 通過(guò) Matlab 仿真可得, 摩擦發(fā)電單元輸出絕對(duì)值與陀螺滾動(dòng)速度的關(guān)系曲線, 如圖3所示. 由圖3可知, 摩擦發(fā)電機(jī)的輸出與陀螺的運(yùn)動(dòng)速度成正相關(guān)關(guān)系, 由于滾動(dòng)相對(duì)滑動(dòng)具有較低的摩擦系數(shù), 因此本文提出的基于旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)陀螺方案對(duì)外部激勵(lì)具有更優(yōu)的俘能靈敏度.

由法拉第電磁感應(yīng)定律可知, 電磁發(fā)電機(jī)的輸出電壓為[23]

式中,N為線圈的匝數(shù),B(x)為通過(guò)線圈的磁通量密度,S為線圈的面積,v為陀螺的滾動(dòng)速度.

當(dāng)線圈內(nèi)阻為Rcoil時(shí), 線圈中產(chǎn)生的短路電流可以表示為

因此, 電磁發(fā)電機(jī)的輸出電壓和電流均與陀螺的運(yùn)動(dòng)速度呈正相關(guān)關(guān)系.

3 結(jié)果與分析

圖 3 摩擦發(fā)電機(jī)的輸出與陀螺滾動(dòng)速度的關(guān)系 (a) 摩擦發(fā)電機(jī)的電流與陀螺滾動(dòng)速度的關(guān)系; (b) 摩擦發(fā)電機(jī)的電壓與陀螺滾動(dòng)速度的關(guān)系Fig. 3. The relation between the output performance of TENG and the rolling speed of gyro: (a) The relation between the output current of TENG and the rolling speed of gyro; (b) the relation between the output voltage of TENG and the rolling speed of gyro.

圖 4 在線性馬達(dá)不同激勵(lì)頻率下復(fù)合能量收集器的輸出特性 (a) 1.5 Hz頻率下電磁發(fā)電機(jī)的輸出特性; (b) 不同頻率下電磁發(fā)電機(jī)的輸出特性; (c) 1.5 Hz頻率下摩擦發(fā)電機(jī)的輸出特性; (d) 不同頻率下摩擦發(fā)電機(jī)的輸出特性Fig. 4. The output characteristics of the hybridized nanogenerator excited by a linear motor: (a) The output characteristics of the EMG in 1.5 Hz; (b) the output characteristics of the EMG in different frequencies; (c) the output characteristics of the TENG in 1.5 Hz; (d) the output characteristics of the TENG in different frequencies.

在直線電機(jī)平臺(tái)(型號(hào)為DGL200-AUM4)上對(duì)復(fù)合能量收集器的動(dòng)態(tài)輸出特性進(jìn)行了評(píng)估, 系統(tǒng)研究了振蕩頻率和幅度對(duì)復(fù)合能量收集器輸出的影響, 如圖 4所示. 為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜性, 電磁發(fā)電機(jī)的四組線圈首先進(jìn)行串聯(lián), 然后將串聯(lián)后的輸出連接到測(cè)試設(shè)備上進(jìn)行測(cè)量. 首先采用靜電計(jì)(型號(hào)為Keithley 6514)對(duì)電磁發(fā)電單元在不同頻率下的開(kāi)路電壓與短路電流進(jìn)行了表征, 如圖 4(a),(b)所示. 隨著頻率從 0.5 Hz 增大到 3.0 Hz,電磁發(fā)電機(jī)的開(kāi)路電壓從0.17 V增大到0.33 V,短路電流從 0.27 mA 增大到 0.52 mA. 電磁發(fā)電機(jī)在0.5—3.0 Hz的超低頻率范圍具有較好的俘能效率, 并且輸出特性隨著頻率的增大而增大, 與理論分析吻合. 同樣表征了摩擦發(fā)電機(jī)在不同激勵(lì)頻率下 (0.5—3.0 Hz)的輸出特性, 如圖 4(c),(d)所示. 摩擦發(fā)電機(jī)的開(kāi)路電壓和短路電流均隨著頻率的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì), 在2.5 Hz時(shí)達(dá)到最大值 (90 V, 0.25 μA). 由前面理論分析可知摩擦發(fā)電機(jī)的輸出與陀螺的運(yùn)動(dòng)速度及頻率成正相關(guān)關(guān)系, 但是實(shí)際輸出結(jié)果當(dāng)頻率大于2.5 Hz時(shí)表現(xiàn)出減小的趨勢(shì), 造成這種結(jié)果的主要原因是, 摩擦發(fā)電機(jī)在較高頻率的外界激勵(lì)下, 處于高速旋轉(zhuǎn), 在離心力的作用下出現(xiàn)反重力現(xiàn)象,這時(shí)旋轉(zhuǎn)陀螺不能與底部電極完全接觸, 從而使得有效摩擦面積減小, 輸出降低.

進(jìn)一步通過(guò)調(diào)節(jié)線性馬達(dá)的往復(fù)行程, 模擬了復(fù)合能量收集器在不同振動(dòng)幅度下的輸出, 如圖5所示. 圖5(a)為電磁發(fā)電機(jī)在馬達(dá)不同往復(fù)行程下的輸出, 圖5(b)為摩擦發(fā)電機(jī)在馬達(dá)不同往復(fù)行程下的輸出. 由測(cè)試結(jié)果可知, 復(fù)合能量收集器的輸出能量密度在馬達(dá)往復(fù)行程為200 mm時(shí), 明顯高于其他行程下的輸出能量密度. 這是由于在相同頻率的外部激勵(lì)下, 當(dāng)行程為200 mm時(shí), 器件進(jìn)入二次諧振模式, 旋轉(zhuǎn)速度明顯增大, 因此俘能效率達(dá)到最高.

為了評(píng)估器件的輸出性能, 分別測(cè)試摩擦發(fā)電機(jī)與電磁發(fā)電機(jī)在2 Hz振動(dòng)激勵(lì)下, 不同負(fù)載下的輸出, 如圖6所示. 圖6(a)表明摩擦發(fā)電機(jī)在負(fù)載為20 MW時(shí)輸出功率最大, 約為0.084 mW.圖6(b)表明電磁發(fā)電機(jī)在負(fù)載為800 W時(shí), 輸出功率最大, 約為 4.61 mW. 同時(shí), 對(duì)復(fù)合能量收集器的充電能力進(jìn)行了測(cè)試, 如圖6(c)所示. 首先分別對(duì)摩擦發(fā)電機(jī)和電磁發(fā)電機(jī)的輸出進(jìn)行整流, 整流后的輸出并聯(lián)接到不同容量的電容兩端進(jìn)行充電, 設(shè)定目標(biāo)電壓為3 V, 充電曲線如圖6(c)所示.實(shí)驗(yàn)證明復(fù)合能量收集器將10 μF電容充到3 V 大概需要 500 s的時(shí)間.

本文進(jìn)一步對(duì)復(fù)合能量收集器件的俘能效率進(jìn)行了評(píng)估. 首先對(duì)外部激勵(lì)能量進(jìn)行估算. 由于摩擦發(fā)電機(jī)的由6個(gè)叉指電極單元組成(圖1所示), 因此每相鄰電極單元間隔角度為

式中n為摩擦叉指電極單元的個(gè)數(shù). 因此可通過(guò)計(jì)算摩擦發(fā)電機(jī)各個(gè)峰值電壓點(diǎn)的時(shí)間差, 求得器件的瞬時(shí)角速度, 由于采用的摩擦發(fā)電機(jī)整流后的輸出波形進(jìn)行計(jì)算, 因此器件的瞬時(shí)角速度為

式中ti為第i個(gè)峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn). 從而可獲得器件的瞬時(shí)速度

式中r為圓錐體的高度. 從而可獲得陀螺的瞬時(shí)機(jī)械能為

圖 5 線性馬達(dá)不同往復(fù)行程激勵(lì)下復(fù)合能量收集器的輸出特性 (a) 不同振動(dòng)幅度下電磁發(fā)電機(jī)的輸出特性; (b) 不同振動(dòng)幅度下摩擦發(fā)電機(jī)的輸出特性Fig. 5. The output characteristics of the hybridized nanogenerator under the excitation of different reciprocating stroke of the linear motor: (a) The output characteristics of the EMG under different amplitude; (b) output characteristics of TENG at different amplitudes.

圖 6 復(fù)合能量收集器的功率與能量 (a) 摩擦發(fā)電機(jī)在不同負(fù)載下的輸出電壓與輸出功率; (b) 電磁發(fā)電機(jī)在不同負(fù)載下的輸出電壓與輸出功率; (c) 復(fù)合能量收集器對(duì)不同電容的充電曲線; (d) 單次外部激勵(lì)的機(jī)械能量; (e) 摩擦發(fā)電機(jī)在20 MW下的俘能曲線; (f) 電磁發(fā)電機(jī)在 800 W 下的俘能曲線Fig. 6. The power and energy of the hybridized nanogenerator: (a) The voltage and power curves of TENG under different loads;(b) the voltage and power curves of EMG under different loads; (c) the charging curves of the hybridized nanogenerator for different capacitors; (d) the incentive energy of a single excitation; (e) the output energy of the TENG under 20 MW; (f) the output energy of the EMG under 800 W.

假設(shè)器件第一個(gè)瞬時(shí)機(jī)械能即為單次外部激勵(lì)能量, 陀螺質(zhì)量m為 0.0435 kg, 高度為 0.03 m,代入公式可求得單次外部振動(dòng)能量E1, 結(jié)果如圖6(d)所示, 不同時(shí)刻的瞬時(shí)機(jī)械能采用了不同顏色進(jìn)行標(biāo)記. 可知單次外部機(jī)械能最大值約為0.003 J.

器件俘獲的電能為

在單次激勵(lì)下, 對(duì)摩擦發(fā)電機(jī)在20 MW負(fù)載下整流后的輸出波形進(jìn)行積分, 結(jié)果如圖6(e)所示, 器件在單次激勵(lì)下累積俘獲的能量約為 5.8 × 10–6J;采用同樣的方法, 在單次激勵(lì)下, 對(duì)電磁發(fā)電機(jī)在800 W負(fù)載下整流后的輸出波形進(jìn)行積分, 結(jié)果如圖6(f)所示, 器件在單次激勵(lì)下累積俘獲的能量約為 7.6 × 10–6J; 因此復(fù)合能量收集器在單次機(jī)械激勵(lì)下的總輸出為 1.34 × 10–5J; 因此器件的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率為

進(jìn)一步將復(fù)合能量收集器置于人體不同部位,對(duì)人體不同運(yùn)動(dòng)能量進(jìn)行采集, 如圖7所示. 圖7(a)為電磁發(fā)電機(jī)在人體行走與跑步狀態(tài)下的輸出,圖7(b)為摩擦發(fā)電機(jī)在人體行走與跑步狀態(tài)下的輸出, 圖7(c)為電磁發(fā)電機(jī)在人體行走與跑步狀態(tài)下的輸出, 圖7(d)為摩擦發(fā)電機(jī)在人體行走與跑步狀態(tài)下的輸出. 可以看出復(fù)合能量收集器在人體行走與跑步狀態(tài)下均具有卓越的輸出人力, 同時(shí)跑步狀態(tài)下的輸出明顯優(yōu)于行走狀態(tài)下的輸出, 置于腿部的輸出明顯優(yōu)于置于手臂的輸出. 這是由于人體跑步狀態(tài)下的振動(dòng)較行走下的振動(dòng)更加劇烈,同一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下, 腿部的振動(dòng)較手臂的振動(dòng)更加劇烈. 此實(shí)驗(yàn)充分驗(yàn)證了該復(fù)合能量收集器件對(duì)于低頻復(fù)雜振動(dòng)能量的俘獲能力.

為了驗(yàn)證復(fù)合能量收集器在自供電傳感器中的應(yīng)用, 搭建了一個(gè)自供電計(jì)步器模塊, 如圖8(a)所示. 摩擦發(fā)電機(jī)與電磁發(fā)電機(jī)的輸出分別整流后, 并聯(lián)到一個(gè) 100 μF 電容器的兩端, 首先對(duì)電容器進(jìn)行充電, 此時(shí)開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài). 由于計(jì)步器模塊的工作電壓為3 V, 因此當(dāng)電容器的充電電壓略高與3 V時(shí), 將開(kāi)關(guān)閉合, 電容器存儲(chǔ)的能量可為計(jì)步器提供直流電能. 圖8(b)為100 μF電容器的充電曲線, 由圖8(b)可知, 將復(fù)合能量收集器置于人體腿部, 跑步大約 2000 s 后, 可將電容電壓充到3 V左右. 圖8(c)為開(kāi)關(guān)閉合后, 計(jì)步器工作實(shí)物圖. 此實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該復(fù)合能量收集器在自供電傳感領(lǐng)域的應(yīng)用前景.

圖 7 復(fù)合能量收集器對(duì)人體運(yùn)動(dòng)能的收集能力 (a) 置于腿部, 電磁發(fā)電機(jī)對(duì)人體能量收集的輸出曲線; (b) 置于腿部, 摩擦發(fā)電機(jī)對(duì)人體能量收集的輸出曲線; (c) 置于手臂, 電磁發(fā)電機(jī)對(duì)人體能量收集的輸出曲線; (d) 置于手臂, 摩擦發(fā)電機(jī)對(duì)人體能量收集的輸出曲線Fig. 7. The ability of the hybridized nanogenerator to the kinetic energy of the human body: (a) The outputs of the EMG from human body when it is placed on the leg; (b) the outputs of the TENG from human body when it is placed on the leg; (c) the outputs of the EMG from human body when it is placed on the arm; (d) the outputs of the TENG from human body when it is placed on the arm.

圖 8 復(fù)合能量收集器在自供電傳感器中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)(a) 自供電計(jì)步器模塊圖; (b) 復(fù)合能量收集器對(duì) 100 μF電容的充電曲線; (c) 自供電計(jì)步器實(shí)物圖Fig. 8. The application of the hybridized nanogenerator in self-powered sensor: (a) The diagram of self-powered pedometer module; (b) the charging curves of the hybridized nanogenerator for a capacitor of 100 μF; (c) the photograph of self-powered pedometer module.

4 結(jié) 論

本文提出了一種非諧振式低頻電磁-摩擦電復(fù)合振動(dòng)能收集器, 通過(guò)旋轉(zhuǎn)陀螺結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì), 實(shí)現(xiàn)了在低頻和不規(guī)則振動(dòng)下的高靈敏度能量捕獲. 分析了器件的俘能機(jī)理, 建立了輸出與器件運(yùn)動(dòng)速度的理論模型. 基于線性電機(jī)平臺(tái), 系統(tǒng)地研究了振動(dòng)頻率和幅度對(duì)器件輸出性能的影響, 較好地證明了器件收集振動(dòng)能量的能力. 在2 Hz的振動(dòng)環(huán)境下, 摩擦發(fā)電單元在20 MW負(fù)載下的峰值功率為0.084 mW, 電磁發(fā)電單元在 800 W 負(fù)載下峰值功率為 4.61 mW, 系統(tǒng)機(jī)電轉(zhuǎn)換效率為 0.45%. 將器件分別置于人體的腿部和手臂, 分析了復(fù)合能量收集器件對(duì)于人體簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)能量的收集能力, 并結(jié)合能量存儲(chǔ)單元, 實(shí)現(xiàn)了計(jì)步器自供能的正常工作.本項(xiàng)研究不僅為低頻振動(dòng)能量的高效采集與轉(zhuǎn)換提供了一個(gè)嶄新的思路, 而且在自供電傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值.