【摘 要】
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随着市场对智能船舶的需求激增,智能船舶所需的信息感知能力需要将各种传感器布设在船舶上以获取船舶自身的各种信息,分布广泛的传感器面临着难以持续供电问题。目前,利用摩擦纳米发电机技术收集环境中的振动能量为传感器等低功耗电子设备供电是前沿研究热点。摩擦纳米发电机的发电原理是基于摩擦起电和静电感应耦合效应,能将环境中的低频振动能量高效地转化为电能。基于摩擦纳米发电机技术,本文提出了一种蜂窝结构式摩擦纳米发
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随着市场对智能船舶的需求激增,智能船舶所需的信息感知能力需要将各种传感器布设在船舶上以获取船舶自身的各种信息,分布广泛的传感器面临着难以持续供电问题。目前,利用摩擦纳米发电机技术收集环境中的振动能量为传感器等低功耗电子设备供电是前沿研究热点。摩擦纳米发电机的发电原理是基于摩擦起电和静电感应耦合效应,能将环境中的低频振动能量高效地转化为电能。基于摩擦纳米发电机技术,本文提出了一种蜂窝结构式摩擦纳米发电机（cellular structure triboelectric nanogenerator,CS-TENG）,用于收集振动能量以实现持续为传感器供能。本文通过建立CS-TENG的数学模型和仿真软件来阐明其发电原理,搭建振动实验测试平台来研究影响其发电性能的关键因素,并进行了驱动发光二极管和温度传感器的应用实验。主要研究结果和结论如下:1)基于麦克斯韦方程组,通过节点法建立CS-TENG的数学模型,并使用COMSOL Multiphysics仿真软件模拟摩擦材料接触-分离过程,研究表明其发电机理是摩擦材料之间发生电子转移从而产生电势差,可通过测量短路电流、开路电压和转移电荷量来进行应用研究。2)通过搭建振动实验测试平台研究影响CS-TENG输出性能的相关因素,包括槽孔形状、电极间距、摩擦材料、振动频率、振动幅度、振动加速度等。实验结果表明圆形槽孔的CS-TENG比六边形槽孔的CS-TENG的输出性能提高了50%以上,使用铝箔和PTFE小球制备的CS-TENG在低振动幅度和频率具有较好的输出性能。3)本文通过并联的方式将1-5层CS-TENG进行集成,其整体输出的短路电流和转移电荷量呈线性增加趋势,5CS-TENGs（5层CS-TENG）的短路电流和转移电荷量可达到66.1μA和558.9 n C,功率密度可达到126 W/m~3,这表明并联集成的方式是提高CS-TENG性能的有效途径。因此,这项研究对于揭示摩擦纳米发电机的发电机理提供有效的理论指导,而且在其结构设计、摩擦材料选择和集成应用方面提供了参考。
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