随着物联网的高速发展,无线传感器节点成为无处不在的网络触手,为人们随时随地获取信息提供可靠渠道。为了给传感器节点持续有效地供电,开发绿色、清洁、可持续的能源为这种便携式电子设备提供动力已迫在眉睫。摩擦纳米发电机作为一种新型发电装置,具有体积小、成本低、制造简单、携带方便等优点。风能是自然界中广泛存在的可再生能源之一,收集风能的摩擦纳米发电机是一种可选择的供电新方式。尽管国内外的科研工作者们对风力驱动摩擦纳米发电机开展了大量的研究工作,但其输出性能还比较低,离实际应用有较大的差距。本文从增强气流扰动的角度出发,设计并制作了一种具有波纹形状的风力驱动摩擦纳米发电机,这种波纹形状有效增大了器件对气流的扰动效果,提高了摩擦层的振动强度,从而有效提高了摩擦纳米发电机的输出性能。本文通过COMSOL物理场模拟仿真,证明波纹形状对于气流有更大的扰动作用。气流经过波纹形结构的局部区域时,其风速、涡量和压强梯度迅速改变,从而增大薄膜的振动频率和振幅,这表明在摩擦纳米发电机中引入波纹形结构可以提高其输出。与使用同种材料制备的平板形摩擦纳米发电机相比,这种波纹形摩擦纳米发电机的性能有大幅提高,在10 m/s风速下,波纹形摩擦纳米发电机的短路电流可达43μA,是平板形器件的6.14倍。在5 m/s～15 m/s的风速范围内,波纹形摩擦纳米发电机可以正常工作,最大短路电流达到131μA。同时,其输出性能在10°～50°范围不受迎风角的影响,这有利于在实际环境中灵活应用。这种波纹形摩擦纳米发电机可以同时收集风能和雨滴能量。为了进一步提高器件的输出,我们将下摩擦层也设计成波纹形状,制作了双层波纹形摩擦纳米发电机,增大了发电机两个摩擦层的接触面积,提升了空间利用率。在相同的测试条件下,双层波纹形摩擦纳米发电机的短路电流是单层波纹形摩擦纳米发电机的2.14倍,单位时间内的转移电荷量是单层波纹形摩擦纳米发电机的3.02倍。我们对双层波纹形风力驱动器件的结构参数进行优化,得到器件的最佳波纹周期长度、波纹高度和摩擦层间距分别为21 mm、6 mm和2 mm。在18 m/s的风速下,器件短路电流达410μA,电流密度达到17.08μA/cm~2,是目前报道风力驱动摩擦纳米发电机文献中最高电流密度的1.17倍。