复合型纳米发电机的构建及其应用研究

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随着微机电技术的快速发展和物联网的迅速兴起,各式各样的无线传感系统开始应用于生活的各个方面,为了保证这些微纳传感系统的独立、持久、长时间免维护连续运行,开发一种可以从环境中收集能量来驱动纳米器件的自驱动技术成为当务之急。  然而单一形式的能量转换途径或多或少的都会受到其他条件的制约,而且单一的能量转换途径其转换效率是往往有限的。为此我们一方面要通过优化器件结构设计和材料组合实现利用优势互补实现多种类型的能源收集;另一方面,我们可以通过采用多种能源转换途径有效提高单一能量来源的转换效率。  摩擦纳米发电机因其具有结构设计简单,输出性能远高于其他形式的纳米发电机,器件制作成本低廉,兼容现有微机电加工工艺便于产业化推广,现已受到了学术界和工业界的广泛关注。一些摩擦纳米发电机已经集成在商业鞋用以收集人体行走时的生物机械来直接点亮一些发光二极管,但其输出功率仍然相当有限。很难给一些较大功率的设备持续供电,直接影响了其大范围推广。  本论文以复合型纳米发电机的研究为背景,通过整合两种机械能收集方法,大幅度地提高单一机械运动中能量转换效率。具体工作如下:  1.针对于摩擦纳米发电机,通过理论模型构建、公式推导、等效电路分析,给出了影响输出功率的主要因素,使得器件设计有的放矢。  2.针对单一旋转生物机械能通过整合磁电和摩擦电能量转换原理,设计了一种基于旋转圆盘式的磁电摩擦电复合型纳米发电机用于收集生物机械能作为可移动电源,对其输出性能进行了详细的表征,并设计了相应的能源管理模块来整合各个能量单元的电能输出。最后制作出了复合型纳米发电机原型,将其作为一个可移动电源用于驱动商业球形灯。展现了基于复合型纳米发电机作为可移动电源在持续驱动一些移动电子设备上的巨大的应用潜力。
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