【摘 要】
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随着能源形势的日益严峻,从环境中获取清洁能源的需求变得十分迫切。环境中广泛分布的风能以及振动能是一种取之不尽的清洁能源,如果将它们收集并加以利用,将是解决交通安全设施能源供应问题的最有效措施之一。摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator,TENG）由于在收集环境中微小机械能方面展现出的巨大潜力而受到广泛关注。本论文针对交通安全设施的能源供应问题,设计了一种收集风能与微
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随着能源形势的日益严峻,从环境中获取清洁能源的需求变得十分迫切。环境中广泛分布的风能以及振动能是一种取之不尽的清洁能源,如果将它们收集并加以利用,将是解决交通安全设施能源供应问题的最有效措施之一。摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator,TENG）由于在收集环境中微小机械能方面展现出的巨大潜力而受到广泛关注。本论文针对交通安全设施的能源供应问题,设计了一种收集风能与微机械振动能的多模式摩擦纳米发电机,实现了交通安全警示设备以及监测传感器的自供电。主要研究成果有:（1）设计了一种具有高空间利用率和低驱动力的滚筒式TENG。在不同输入转速下,滚筒式TENG器件产生了较高且稳定的电输出,同时还表现出了良好的电容充电能力,因此可以作为稳定的供电源为警示设备供电。此外,探究了不同薄膜结构下,滚筒式TENG器件的电输出变化,进一步优化了该TENG器件,以实现更高效的风能采集。（2）设计了一种高表面电荷密度的弹性双层转盘式TENG。在80 r/min的低转速条件下,弹性双层转盘式TENG的转移电荷量为1.68μC,表面电荷密度为66.26μC m-2。在10 r/min的超低转速下,弹性双层转盘式TENG可以通过整流器直接驱动商用计算器工作,展现了其能够提供稳定电源的潜力。此外,通过探究摩擦层间压强变化对器件电输出的影响,提高了弹性双层转盘式TENG的电性能。（3）设计了弹性垂直分离式TENG。通过调节附加在底部电极板上的配重质量以及顶部铜电极与底部介质层之间的气隙,探究器件随外界振幅和频率的变化而产生的电输出变化。通过实验证明了,弹性垂直分离式TENG组合可以极大地响应桥梁道路环境的振动运动（桥梁总体振动频率范围为1–40 Hz）,产生一定的电能输出。（4）通过集成滚筒式TENG,弹性双层转盘式TENG和弹性垂直分离式TENG,构建了一种可收集风能与振动能的多模式摩擦纳米发电机（Multi-mode triboelectric nanogenerator,M-TENG）。实验证明,在夜间道路环境下M-TENG可直接驱动商用交通安全警示灯和总功率为22 W的商用LED灯带,展现了优秀的警示效果。此外,M-TENG对电路管理单元充电5 min,就可以储存0.34496 J的电能,实现了射频信号的发射。装有射频信号发生器的M-TENG可被用于道路环境的实时监控及紧急情况时的人员呼救。本研究工作通过实验证明了M-TENG作为稳定供电源,为交通安全警示设备以及监测传感器供电的可行性。最重要的是展现了M-TENG在智能交通安全领域上的应用潜力。
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