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基于摩擦纳米发电机的输电线振动能俘获研究

2024-12-03 90 上传者：管理员

摘要：随着全球能源需求的增长和环境问题的加剧，输电线路振动能量收集技术成为研究热点。通过将输电线路的振动能量转化为电能，可以为电力系统提供额外能源补充，提升能源利用效率。提出了一种全方位能量收集摩擦纳米发电机(OEH-TENG),根据独特的工作原理，在复杂环境中，高效收集振动能量，克服了传统TENG输出功率不足的问题。OEH-TENG具备高适应性和可定制性，能为输电线路监测系统提供持续稳定的能源支持，具有重要的应用前景。

关键词：
振动能量
摩擦纳米发电机
电源管理电路
能量收集
输电线路
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随着全球能源需求的持续增长与环境问题的日益严峻，开发高效、可再生的能源收集技术成为现代科学研究的核心领域之一[1,2]。尤其在电力系统中，能源利用效率和能源补充的创新手段受到越来越多的关注[3～5]。输电线路作为电力系统的重要组成部分，其广泛分布和常年处于外部环境中的特点，使其振动能量成为一种丰富且可持续的能源来源。输电线路振动能量收集技术的核心在于利用输电线在风力、温度变化等外部因素作用下产生的振动，通过特定装置将这种机械能量转化为电能[6,7]。这种技术能够充分利用现有的输电基础设施，无需额外的能源输入，实现自给自足，显著减少了对传统能源的依赖[8～10]。通过优化设计，能够大幅提高振动能量的捕捉效率和转换效率，使得能源的利用更加高效[11]。然而，尽管该技术展示了巨大的潜力，实际应用中仍面临诸多挑战，例如如何有效捕捉不稳定和多方向的振动能量，以及如何提高能量转换效率，确保输出电能的稳定性和持续性。

近年来，摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator, TENG)的出现为振动能量收集提供了新的研究契机。TENG以其结构简单、重量轻、材料选择广泛、成本低廉等优势，特别适合在低频条件下进行能量收集[12～14]。例如，2022年，东北电力大学开发了一种差动TENG,旨在抑制输电线路的振动并同时收集能量，该发电机在实际应用中取得了显著效果[15～17]。然而，传统的TENG在能量输出方面仍存在不足，难以独立驱动现有的传感设备，这限制了其在输电线路监测中的广泛应用[18～23]。

为了解决上述问题，本文提出了一种全方位能量收集TENG(omnidirectional energy harvesting-TENG,OEH-TENG),旨在提升振动能量的收集效率并提高发电机的适应性。OEH-TENG能够在多种复杂环境中有效地收集振动能量。无论是稳定的振动环境，还是振动幅度和频率变化较大的环境，该发电机都能为输电线路传感器提供持续、稳定的能量供给。此外，OEH-TENG还具有高度的可定制性，能够根据不同应用场景的需求进行结构调整和优化，从而实现能量的高效收集和利用。这一创新设计不仅克服了现有TENG输出功率不足的问题，还拓展了其应用范围，为输电线路的能量管理和监测系统提供了新的解决方案。这一研究成果将为未来输电线路的振动能量收集和监测提供重要的理论支持和技术参考，对推动该领域的发展具有重要意义。

1、研究基础

TENG作为一种新兴的能量收集技术，自其问世以来，迅速在学术界和工业界引起了广泛关注。TENG的工作原理基于摩擦电效应和静电感应，通过不同材料之间的摩擦和接触分离过程，产生电荷并形成电流。相比于传统的能量收集方法，TENG具有多种优势，包括材料选择灵活、制造成本低、适用于各种低频振动场景等。

然而，尽管TENG在实验室条件下显示出巨大的潜力，但在实际应用中仍面临一些挑战。首先，TENG的能量输出密度较低，难以满足高功耗设备的需求。其次，TENG对振动频率和方向的敏感性较高，传统设计通常只能收集单一方向或特定频率的振动能量。为了克服这些限制，研究者们进行了大量探索，如改进摩擦材料、优化发电结构、开发新型电路管理系统等。这些研究为进一步提高TENG的实际应用能力奠定了基础。电力电子学的发展也为TENG的应用提供了技术支撑。通过优化电路设计和开发高效的能量管理系统，可以最大限度地提高TENG的能量转换效率并确保输出的稳定性。

本文基于以上背景，提出了ADEH-TENG。该设计旨在突破传统TENG的局限，能够收集各个方向的振动能量，并通过优化的电源管理电路，将能量高效地传输和利用。这一创新的设计理念不仅有望提高TENG的能量输出，还能扩展其应用范围，特别是在复杂和多变的环境中，实现稳定的能量供给。

2、方法

2.1 机械结构设计

为了解决传统TENG在振动能量收集方向上的局限性，本文设计了OEH-TENG。传统的输电线间隔器主要用于防止输电线在风力作用下发生相互碰撞，但在本文中，间隔器的结构被进一步优化，以实现对多方向振动能量的有效捕捉。

如图1所示，OEH-TENG的核心设计包括一个多方向振动捕捉装置和一个能量收集单元。振动捕捉装置由高分子材料的亚克力板制成，厚度为5 mm, 通过精密制图软件——CAD确定其尺寸，并使用激光切割机制造。装置内部安装有金属球，当输电线在风力作用下发生摆动时，金属球在装置内产生多方向运动，从而驱动发电单元工作。

图1 OEH-TENG结构及其应用背景

发电单元使用了铜箔(厚度为0.1 mm)与带胶粘的氟化乙烯丙烯共聚物(PTFE)作为摩擦材料，聚酰亚胺薄膜被用作纸基结构以提高空间利用率。这种材料选择和结构设计不仅保证了OEH-TENG的稳定性和耐久性，还显著提高了其能量转换效率。与传统TENG相比，OEH-TENG能够在更广泛的频率范围内有效工作，并实现多方向振动能量的高效收集。

2.2 发电单元原理与仿真

OEH-TENG的发电单元工作原理基于垂直接触分离模式，其基本原理如图2(a)所示。铜箔与PTFE作为摩擦层材料，面对面放置。在两种材料接触并随后分离时，由于它们对电子吸引能力的不同，材料表面产生相等且极性相反的电荷。随着两种材料分离，摩擦层之间形成电场，并在聚合物材料背电极上感应出电势差，进而在外电路中形成电流。当摩擦层再次接触时，正负电荷发生抵消，电势差消失，引起电子回流，从而在外电路中形成相反方向的电流。

图2 TENG工作原理

为了深入理解OEH-TENG的电学行为，本文采用COMSOL Multiphysics软件对其发电单元的表面电势分布进行了仿真分析。如图2(b)所示，仿真结果表明，电势随着摩擦层间距的增大而增大，验证了TENG的基本电学原理。值得注意的是，在模拟过程中，边缘效应显著，随着摩擦层距离的增加，电场线逐渐向中间集中。这一现象主要是由于摩擦层几何尺寸的限制，导致电场分布不再均匀，接近于点电荷之间的电场线分布。

通过仿真分析还发现，摩擦层材料的选择和表面微结构设计对OEH-TENG的性能有重要影响。采用不同的材料组合和表面结构，可以显著改变电荷生成的效率和电场分布特性。例如，在摩擦层表面引入纳米结构，可以大幅度增加摩擦接触面积，从而提高电荷生成的数量。此外，通过调整摩擦层的材料组合和厚度，能够进一步优化电场强度和电势分布，提高TENG的整体能量输出性能。

2.3 电源管理电路设计与仿真

为了确保OEH-TENG产生的能量能够稳定地应用于实际场景，本文设计了一种无源通用的电源管理电路。该电路主要由整流电路、滤波电路和开关电路3大模块组成，如图3所示。

图3 电源管理电路

整流电路采用了桥式整流结构，这是最常见的整流方式，通过增加2只二极管形成桥式结构，实现全波整流。该设计不仅克服了传统整流电路的一些缺陷，还显著提高了能量转换效率。

滤波电路则通过电容滤波，进一步平滑输出的直流信号。电容器在电路中起到储能和隔直通交的作用，使得电压信号更加稳定。

开关电路在整个电源管理系统中起到控制的作用。它能够根据外部环境和系统需求，对电路的通断进行精确控制，确保系统在不同工作状态下的稳定性和可靠性。

为了验证电源管理电路的性能，本文使用LTspice仿真软件对整流电路和滤波电路进行了详细的仿真分析。通过以上设计和仿真分析，OEH-TENG与其电源管理电路相结合，能够在复杂的环境中实现稳定的能量收集和利用，为实际应用提供了坚实的技术保障。

3、应用、验证与仿真

为了评估OEH-TENG的实际应用性能，本文通过实验测试和仿真分析，系统地验证了其在不同工况下的能量收集和输出特性。实验内容包括开路电压、短路电流和转移电荷的测量，以及在不同振动频率和方向下的能量转换效率评估。

3.1 开路电压测试

图4为OEH-TENG在10～30 Hz频率范围内的开路电压变化情况。实验结果表明，随着振动频率的增加，OEH-TENG的峰峰值电压幅值逐渐增大。这一现象表明，OEH-TENG能够在不同频率下有效捕捉振动能量，并转换为电能。具体来说，在较低频率(如10 Hz)下，开路电压相对较低，而在较高频率(如30 Hz)下，开路电压显著增大，最高可达40 V。这表明：OEH-TENG在频率较高的振动环境中具有更高的能量转换效率。

图4 OEH-TENG在10～30 Hz频率范围内的开路电压变化情况

3.2 短路电流测试

图5为不同频率下的短路电流变化趋势。实验表明，随着振动频率的增加，OEH-TENG的短路电流逐渐增大。短路电流的变化趋势与开路电压相似，频率越高，短路电流越大。这表明，OEH-TENG不仅能够在不同频率下有效捕捉振动能量，还能够产生稳定的电流输出。具体测试结果显示，短路电流从最低的1.4 μA(在10 Hz频率下)逐渐增加到最高的5.2 μA(在30 Hz频率下),显示出良好的频率响应特性。

图5 OEH-TENG在10～30 Hz频率范围内的短路电流变化情况

3.3 转移电荷测试

图6为OEH-TENG在不同频率下的转移电荷量。结果显示，随着频率的增加，转移电荷量显著增加。这表明，OEH-TENG能够在更高频率下提供更高的电力输出，增强了其实际应用中的能量收集能力。具体而言，在10 Hz频率下，转移电荷量约为7.6 nC,而在30 Hz频率下，转移电荷量增至10 nC。这一趋势表明，OEH-TENG在频率较高的环境中具有更高的能量收集效率，适用于多种复杂的应用场景。

图6 OEH-TENG在10～30 Hz频率范围内的转移电荷变化情况

3.4 电源管理电路仿真

为了进一步验证OEH-TENG与电源管理电路的配合性能，本研究进行了详细的电路仿真分析。图7和图8分别为整流电路和滤波电路的仿真结果。仿真显示，整流电路能够有效地将OEH-TENG产生的交流电流转换为直流电流，并稳定输出电压。在不同负载条件下，滤波电路表现出卓越的滤波效果，有效消除了电源中的高频噪声，使输出信号更加平稳和可靠。

图7 整流电路及其仿真

图8 滤波电路及其仿真

此外，图9为电源管理电路在接入不同负载后的外接负载仿真结果。仿真结果表明，当负载为1,5,10 MΩ时，后端电压分别约为1.8,8.3,16.2 V。尽管仿真软件在调整滤波电容和滤波电感参数值时存在一定的限制，但总体上，电源管理电路能够有效调节输出电压并稳定供电。这些结果表明，OEH-TENG与其电源管理电路能够在复杂环境下实现稳定的能量收集和转换。

图9 电源管理电路仿真

3.5 实物搭建与测试

为了验证OEH-TENG的实际应用效果，本文利用Altium Designer专业PCB制图软件，设计并制作了电源管理电路的PCB,如图10所示。PCB的使用不仅降低了电源管理电路的体积，还增强了其抗干扰能力。在实际测试中，OEH-TENG成功为微功耗传感器提供了稳定的电能供给，验证了其在物联网应用中的潜力。

图10 PCB实物

3.6 应用展望

图11为OEH-TENG的应用场景。在输电线路的实际应用中，OEH-TENG通过设计和优化能量收集单元，能够显著提高能量收集效率。通过进一步研究如何将收集到的能量进行高效转换，并建立TENG的能量存储、分配以及稳定输出的管理策略，OEH-TENG有望在未来广泛应用于输电线路温度、振动及电流的自供电监测装置中。

图11 应用场景

此外，图12为OEH-TENG为微功耗传感器供电的应用场景。在物联网的发展与普及过程中，TENG作为微型电子器件的电源，与电子器件复合发展自驱动的供电系统，具有广阔的应用前景。这种设计不仅能够在各种环境下实现稳定的供电，还能够有效延长传感器的使用寿命。

图12 为微功耗传感器供能

4、结论

本文在深入分析传统TENG局限性的基础上，创新性地提出了OEH-TENG。通过对机械结构的巧妙设计以及电源管理电路的优化，OEH-TENG能够有效捕获并转换来自多个方向的振动能量，尤其在1～10 Hz的低频振动条件下表现尤为优异。实验和仿真结果充分验证了该装置在不同频率和方向的振动环境下，均能够实现稳定且高效的电能输出，特别适合应用于输电线路的振动能量收集及自供能传感器系统。OEH-TENG突破了方向性限制，大幅提升了能量转换效率和输出功率。这一创新不仅填补了当前能量收集技术中的重要空白，还为复杂和多变环境中的振动能量收集提供了全新思路。OEH-TENG的出现，标志着摩擦纳米发电技术的一次重要飞跃，具有显著的实用价值和广泛的应用前景。

未来的研究将集中于进一步优化OEH-TENG的结构设计和材料选择，致力于提高其在更多应用场景中的性能表现，推动这一技术的商业化进程。随着这一技术的不断发展和完善，OEH-TENG有望成为新一代高效能量收集装置的典范，为可持续能源系统和智能传感器网络的发展提供强有力的支持。

参考文献:

[1]张明叡,高国伟.摩擦电纳米发电机在医疗脉诊中的研究与进展[J].传感器与微系统,2023,42(12):1-6.

[13]王正,孙莉,李胜民,等.可穿戴汗液传感器系统的研究进展[J].传感器与微系统,2024,43(5):1-5.

[23]李天,石鑫,李永倩.基于输电线路监测的无线传感器网络路由优化技术研究[J].电测与仪表,2015,52(21):6-10.

基金资助:国网江苏省电力有限公司孵化项目(JF2023033);

文章来源:刘征宇,路永玲,王真,等.基于摩擦纳米发电机的输电线振动能俘获研究[J].传感器与微系统,2024,43(12):32-36.