基于波浪能收集的体效应固液界面发电机研究

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波浪能是最有前途的可再生能源之一。在传统能源耗竭和全球环境恶化的当下,波浪能的开发利用受到越来越多的关注。尽管基于固液界面的摩擦纳米发电机(TENGs)的提出为开发利用波浪能提供了一条新的途径,但目前仍存在着输出功率密度和能量转化效率相对较低问题。本文针对现有基于波浪能收集的固液界面式TENG输出功率密度较低的问题,提出了一种基于波浪能收集的体效应固液界面发电机,并在此基础上进一步研究了阵列化的发电机,实现了发电机输出功率密度的进一步提高。我们设想,这种基于固液界面的体效应发电机在未来将为蓝色能源的收集开辟新的视野。本文主要工作如下:(1)构建并研究了一种由聚四氟乙烯(PTFE)薄膜、3D电极、底电极组成的基于波浪能收集的体效应固液界面发电机,通过有限元仿真研究和建立等效模型的方式分析了体效应固液界面发电机的工作原理。(2)搭建测试平台并进行了电学输出性能测试,分析了影响体效应固液界面发电机输出性能的因素。结果表明,减小3D电极与PTFE间距、提高波浪频率和增大PTFE面积均有利于输出性能的提升,而改变水体中的离子浓度,开路电压VOC和短路电流ISC的变化趋势则相反。(3)将阵列化发电机的概念引入到发电机的设计中,制备了多种阵列模式的阵列化体效应固液界面发电机并进行对比研究。研究表明,1×n阵列、n×1阵列、n×n阵列三类阵列模式的体效应固液界面发电机相比于初始的发电机均实现了功率密度的进一步提高。(4)对体效应固液界面发电机进行了应用能力的探究,在40 min的稳定性测试中,其输出电压保持稳定;将输出的电能通过电容进行存储,可以为小型电子设备供电。
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