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研究进展

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程纲教授课题组在Nano Energy上报道摩擦纳米发电机电压测量的通用校准方法

 

来源: 亚博yabovip88    日期:2021-05-10   浏览次数:

近期,程纲教授课题组的研究成果“A general charge compensation strategy for calibrating the voltage of a triboelectric nanogenerator measured by a capacitive circuit”在国际著名刊物Nano Energy (IF=16.602, JCR一区)上发表。

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106056

物联网(IoT)、人工智能、大数据等的发展需要各种各样的传感器,这些传感器具有数量巨大、分布广泛、无线可移动等特点,为其提供稳定可靠的电能成为亟待解决的问题。开发可以从环境中收集能量并转化为电能的新技术是一种可行的解决方案。摩擦纳米发电机(TENG)可以从周围的环境中收集各种形式的机械能,如风能,水流,机械振动和人体运动等并高效地转化为电能。TENG具有结构简单、成本低、材料来源广泛、低频下能量转换效率高等优势。在理想的开路状态,两个电极上都不应该发生电荷转移。如果在测量电压的过程中,电极上发生了电荷转移,将会使测量的电压值低于实际的电压值。因此,避免电极发生电荷转移,是准确测量电压(开路电压和输出电压)的关键。

研究发现,有两种因素会在电压测量过程中造成电极上发生电荷转移。第一个因素是测量仪器(无论是电压表还是电流表)的接地端。除单电极模式的TENG外,TENG的一个电极与接地端直接连接,这使得电极和大地之间发生电荷转移,造成测量的电压值小于真实值。针对该问题,在之前的工作中,我们提出了非接地的电压测量方法,解决了电表的接地端所带来的电荷转移的问题。第二个因素是电压表的内部电容。内部电容的存在,造成TENG的电极和电容之间发生电荷转移,这会导致电压表测量的电压值小于真实值。因此,需要发展一种普适的策略对电压表测量的电压值进行精确的校准。

 


图  校准容性电路测量的摩擦纳米发电机电压的一种通用电荷补偿策略


在本工作中,在对电容性测量电路进行分析的基础上,提出了一种通用的电荷补偿策略来校准TENG的测量电压。提出了固定电容反推法和变化电容拟合法两种方法来校准TENG的开路电压(Voc),并分别给出了校准后Voc的公式。首先,以水平滑动独立摩擦层模式TENG为例,用两种方法计算了校准后的Voc,其结果均与利用电流表测量(非电容性测量电路)的Voc相一致,验证了两种校准方法的正确性。对于TENG的其他三种工作模式,利用固定电容反推法对测量的Voc进行了校准,验证了该方法的普适性。最后,通过计算包含了电容的等效阻抗,对TENG输出电压随负载阻抗的变化关系进行了校准。本文提出了电荷补偿的策略来校准电压表所测量的TENGVoc和输出电压,这对于TENG综合性能评估体系的建立具有重要的理论意义和应用价值。

硕士研究生张文河和顾广钦博士为论文的共同第一作者,程纲教授和杜祖亮教授是本文的共同通讯作者。本工作得到国家自然科学基金委、河南省科技厅、中国博士后科学基金会和河南大学的经费支持。

 

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