一种基于摩擦纳米发电机的脉冲式可调控恒压源

近年来，随着社会和现代技能的发展，物联网的热潮悄然而至，其通过各种传感设备和网络连接现实世界中的人和物。由于物联网传感器系统具有分布广、应用环境条件复杂等特点，为物联网传感器系统提供必要的可靠的分布式可持续能源面临着巨大的挑战。因此，开发绿色能源转换技术对于为物联网传感器系统提供从微瓦到毫瓦的可持续移动能源具有重要意义。

值得注意的是，2012年，王中林院士提出的基于接触带电和静电感应耦合的新型能量转换技术——摩擦电纳米发电机（TENG）被证明是一种可靠的小型电子有效电源，同时也受到了各个领域的广泛关注。经过多年的蓬勃发展，TENGs的工作模式可归纳为接触-分离模式、单电极模式、滑动模式和独立层模式。同时，TENG器件在分布式传感系统、生物医疗、电催化等许多领域都有着巨大的应用潜力，但对于TENGs的实际应用，还有很多工作要做，还有很长的路要走。

在过去的几年中，大多数的研究集中在如何提高TENGs的性能上，如提高摩擦电材料表面粗糙度、材料表面改性、结构设计等。然而，通过改变其输出特性来促进其实际应用的研究较少。以往的研究表明，TENG的高开路电压、低短路电流、输出功率与大匹配阻抗的匹配问题是TENG发展的主要障碍。换言之，只有当外部负载与TENG器件的输出功率特性匹配时，TENG才能达到最佳的输出性能，这大大限制了其对电子器件的直接供电，特别是对于低阻抗电子器件。因此，需要设计一种特殊的结构来实现突破阻抗匹配的可调控电压源。

近日，浙江大学海洋学院海洋电子与智能系统研究所纳米能源研究团队，提出了一种基于摩擦纳米发电机的脉冲式可调控恒压源，是一种突破阻抗匹配的新型电压源，具有很高的创新性和很好的应用价值。这项研究发表在国际著名期刊《纳米能源》（Nano Energy, IF:16.602）上，论文题目为“A Pulse Controllable Voltage Source Based on Triboelectric Nanogenerator”。论文第一作者为浙江大学海洋学院2019级博士研究生夏克泉，通讯作者为徐志伟教授，合作作者包括海洋学院18级硕士生吴迪，傅疆铭等。

本文提出了一种新型的脉冲式可调控电压源，它由一个TENG与一系列电子元件（整流桥、电容器）以及一个单向开关组合而成，可以突破传统TENG的阻抗匹配限制，实现了可调控电压输出。

在相同条件下，传统TENG的开路电压和短路电流瞬时峰值可达到495 V和6.49 µA，而PCVS-TENG（搭配1 nF电容）的开路电压和短路电流瞬时峰值分别达到120 V和87 µA，实现了降低开路电压，提升短路电流的效果。PCVS-TENG在低负载电阻（1 MΩ）下的相应输出功率可达到7.569 mW，是TENG在1 MΩ负载下输出功率（52µW）的145.5倍。值得一提的是，通过改变电容量可以控制电输出信号的脉宽，这种新的脉宽调制方法可广泛应用于测量、通信、功率控制、变换等领域。

该PCVS-TENG不仅具有良好的可靠性，而且在不同工作频率下具有良好的电流稳定性。PCVS-TENG还可以通过调节电容来产生方波和锯齿波。PCVS-TENG能够根据TENG的输出特性而不考虑负载电阻的情况来评估TENG的电输出性能，从而避免了仪器测量探头对测试结果的影响。最后，PCVS-TENG产生的能量可以通过自供电电催化系统直接用于从甲基橙溶液（MO）中分离有机染料。                           

图1. (a) PCVS-TENG的结构图；(b) PCVS-TENG的等效原理图；(c) PCVS-TENG的实物图；(d,e) PTFE薄膜和尼龙薄膜的电镜照片。

图2. (a, b) PCVS-TENG和传统TENG的结构图；(c, d) PCVS-TENG传统TENG的开路电压信号；(e, f) PCVS-TENG和传统TENG的短路电流；(g, h) PCVS-TENG和传统TENG的转移电荷。 

图3. (a-c) PCVS-TENG与传统TENG在不同负载电阻下的输出电压、输出电流和输出功率的关系。(d, e) PCVS-TENG的等效电路图和U-Q图。(f, g)在不同负载下的PCVS-TENG输出电压信号。

图4. (a, b)不同负载电阻下PCVS-TENG的输出电压与不同电容的关系；(c)不同电容的PCVS-TENG的输出电压信号；(d)不同电容的PCVS-TENG的自供电过程；(e)在1 MΩ负载下，不同电容的PCVS-TENG输出电流信号。

Kequan Xia, Di Wu, Jiangming Fu, Zhiwei Xu, A pulse controllable voltage source based on triboelectric nanogenerator, Nano Energy, 2020, DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.105112

来源：能源人