胡怡先,孫若愚,趙 婧,劉 創(chuàng),莫繼良,2

(1.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610031;2.牽引動力國家重點實驗室,四川 成都 610031)

隨著化石燃料的持續(xù)消耗,能源短缺和環(huán)境問題已經(jīng)引起了大眾的廣泛關(guān)注,尋找可再生和清潔能源成為解決可持續(xù)發(fā)展問題的唯一途徑[1]。目前,人類已經(jīng)能從太陽能、風(fēng)能和化學(xué)能源中獲取能量,但自然界中仍然存在許多值得開發(fā)利用的可再生能源,例如水能。水能是一種清潔、可循環(huán)和適應(yīng)高峰的能源,可以滿足約占世界能源40%的需求[2],在最大程度上解決能源短缺的問題。水能已被廣泛用于水力發(fā)電,但由于其裝置結(jié)構(gòu)和電磁感應(yīng)工作原理的限制,仍有大量低頻水能(如雨滴)難以被收集[3]。因此,亟需一種結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠且高效的發(fā)電機(jī)收集水滴能量。

摩擦納米發(fā)電機(jī)是一種基于接觸帶電和靜電感應(yīng)耦合的高效能量收集轉(zhuǎn)化裝置,能將多種形式的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,如水能[4-5]、風(fēng)能[6-7]和人體運動能[8-9],現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于藍(lán)色能源[10-11]、高壓供電[12-13]和自驅(qū)動傳感器[14-15]等領(lǐng)域,具有低成本、低頻范圍采集能力極佳等優(yōu)點,可以有效獲取水滴能量。目前,已有多種方法制備摩擦納米發(fā)電機(jī)并將其應(yīng)用于水能收集。Wang 等[16]開發(fā)并設(shè)計了一種基于摩擦電層和分級超疏水纖毛結(jié)構(gòu)的可伸縮柔性混合電介質(zhì)基摩擦納米發(fā)電機(jī),可以有效地從各種人體運動和自然環(huán)境(雨滴和波浪)中獲取能量。Choi 等[17]設(shè)計了一種棒狀緊湊型摩擦納米發(fā)電機(jī),可以從管狀系統(tǒng)的水運動中獲取能量,拓寬水驅(qū)動摩擦納米發(fā)電機(jī)的適用性。然而,傳統(tǒng)的摩擦納米發(fā)電機(jī)研究主要關(guān)注結(jié)構(gòu)設(shè)計和摩擦電材料性能的提升,極少考慮電極結(jié)構(gòu)對摩擦納米發(fā)電機(jī)發(fā)電效率的影響。傳統(tǒng)條狀電極結(jié)構(gòu)具有的邊緣效應(yīng)[18]會導(dǎo)致靜電感應(yīng)過程中電荷損失,降低摩擦納米發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率。因此,通過對摩擦納米發(fā)電機(jī)電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,提升摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出性能和能量轉(zhuǎn)換效率,具有重要的應(yīng)用價值。

叉指電極能夠減少外界環(huán)境因素對摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出的干擾,在一個水波或水滴的沖擊下實現(xiàn)多個電極對之間的電子交替流動,大大提高摩擦納米發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率[19]。本文設(shè)計了一種用于水滴能量收集的叉指電極摩擦納米發(fā)電機(jī),通過水滴與發(fā)電機(jī)表面的摩擦獲取電能。首先,探討了一定面積內(nèi)聚四氟乙烯(PTFE)膜厚和電極寬度對摩擦納米發(fā)電機(jī)電輸出性能的影響。其次,結(jié)合有限元數(shù)值模擬定量分析摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作原理。最后,展示了摩擦納米發(fā)電機(jī)的負(fù)載驅(qū)動及電能存儲特性,探索了在雨水環(huán)境下為器件充電的潛在能力。相關(guān)研究成果可為構(gòu)建用于水滴能量收集的叉指電極摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)提供理論基礎(chǔ),為實現(xiàn)可持續(xù)供電提供潛在應(yīng)用。

1 實驗

1.1 實驗材料

亞克力(PMMA)硬質(zhì)板(尺寸: 200 mm×300 mm×2 mm,福建納仕達(dá)電子股份有限公司)、鋁箔(厚度:0.06 mm,深圳市信時包裝材料有限公司)、聚四氟乙烯(PTFE)薄膜(厚度: 0.03,0.05,0.08 和0.1 mm,上海新加德橡塑五金有限公司)、導(dǎo)電線(深圳市科比電子科技有限公司)、銀離子導(dǎo)電膠(珠海金士能科技有限公司)。

1.2 摩擦納米發(fā)電機(jī)的制備

摩擦納米發(fā)電機(jī)的制備方法如圖1(a)所示。首先,采用PMMA 硬質(zhì)板作為摩擦納米發(fā)電機(jī)基底,將導(dǎo)電鋁箔貼附在基底表面。然后,通過機(jī)械切割形成5 個指狀電極,為確保電路斷開,相鄰電極以0.2 mm的間隙隔開。最后,將一張光滑完整的PTFE 膜貼附在指狀電極頂部,并用銀離子導(dǎo)電膠將導(dǎo)電線貼附在鋁箔電極的兩個端點,室溫下完全干燥。為了考察PTFE 膜厚和電極寬度對摩擦納米發(fā)電機(jī)發(fā)電效率的影響,研究了四種PTFE 膜厚(0.03,0.05,0.08 和0.1 mm)和七種電極寬度(10,20,30,35,40,45 和50 mm)。摩擦納米發(fā)電機(jī)實物圖如圖1(b)所示。

圖1 (a)摩擦納米發(fā)電機(jī)制備過程示意圖;(b)摩擦納米發(fā)電機(jī)實物圖Fig.1 (a) Schematic diagram of the preparation process of triboelectric nanogenerator;(b) Physical diagram of triboelectric nanogenerator

1.3 實驗表征

為保證實驗過程中水滴大小一致和滴速均勻,采用容量為50 mL 的全自動滴定管。采用可編程靜電計(Keithley 6514 型)評價摩擦納米發(fā)電機(jī)的電輸出性能,電壓測量范圍為10 μV～200 V,電流測量范圍為1 fA～20 mA,電荷量測量范圍為10 fC～20 μC。測量時將摩擦納米發(fā)電機(jī)放在具有一定傾斜角度的夾具上,靜電計的轉(zhuǎn)接線夾頭和鋁箔電極兩端點處固定的導(dǎo)電線連接,并根據(jù)輸出信號的情況選擇合適的量程。

1.4 仿真模擬

為了解摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作機(jī)制,采用COMSOL Multiphysics 建立摩擦納米發(fā)電機(jī)和水滴的二維模型(圖2),模擬水滴落在摩擦納米發(fā)電機(jī)表面的輸出電場。二維模型中的相關(guān)參數(shù)均與實驗參數(shù)保持一致,電極表面上的電荷密度為2.74×10-6C/m2[23]。當(dāng)水滴沿著PTFE 膜表面流過,PTFE 膜表面將攜帶負(fù)的摩擦電荷,因此在初始條件中,設(shè)置PTFE膜表面帶有負(fù)電荷,并假定液滴和PTFE 膜表面的電勢均為0。網(wǎng)格單元的范圍為0.033～8.8 mm,最大單元增長率為1.2。由于電場的即時建立,因此采用穩(wěn)態(tài)求解器求解仿真模型中的瞬時電位差。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦納米發(fā)電機(jī)工作機(jī)制

水滴在PTFE 膜表面滑動產(chǎn)生的電輸出歸因于接觸起電和靜電感應(yīng)耦合[20],摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作機(jī)制如圖3 所示。當(dāng)水滴接觸PTFE 膜時,接觸起電使水滴和PTFE 膜上表面分別產(chǎn)生正電荷和負(fù)電荷。在PTFE 膜的下表面,即第一鋁電極的上表面,負(fù)電荷累積并有效屏蔽水滴的正電荷。為了中和PTFE 膜所帶的負(fù)電荷,叉指電極中的其他三個電極帶正電荷。當(dāng)水滴沿著PTFE 膜表面流動時,累積的負(fù)電荷也沿著鋁電極流動,從而產(chǎn)生脈沖電流。當(dāng)水滴到達(dá)第二鋁電極上方時,負(fù)電荷持續(xù)累積并有效屏蔽正電荷。當(dāng)水滴繼續(xù)沿著PTFE 膜表面流動時,累積的負(fù)電荷會沿Al 電極反向流動,產(chǎn)生與上一個脈沖電流方向相反的極性。當(dāng)水滴不斷滴落到PTFE 膜表面,會重復(fù)此過程,可以發(fā)現(xiàn): 當(dāng)水滴經(jīng)過相鄰兩電極時,累積電荷來回移動,產(chǎn)生大量極性相反的電流峰值,有助于縮短電荷轉(zhuǎn)移周期[21],從而增加摩擦納米發(fā)電機(jī)的電輸出。

圖3 摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作機(jī)制Fig.3 Working mechanism of the triboelectric nanogenerator

2.2 PTFE 膜厚對摩擦納米發(fā)電機(jī)的影響

摩擦電材料厚度會影響電極單位時間內(nèi)電荷的轉(zhuǎn)移量,對摩擦納米發(fā)電機(jī)的電輸出性能有重要影響[22]。因此,選用合適的PTFE 膜厚有利于提高摩擦納米發(fā)電機(jī)的電輸出性能。

圖4 為四種PTFE 膜厚的摩擦納米發(fā)電機(jī)在不同電極寬度下的輸出電流。從圖中可以看出,當(dāng)PTFE膜厚為0.03 mm 時,摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出電流幅值在52～100 nA 內(nèi)波動;當(dāng)PTFE 膜厚為0.05 mm 時,摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出電流幅值在55～140 nA 內(nèi)波動;當(dāng)PTFE 膜厚為0.08 mm 時,摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出電流幅值在91～453 nA 內(nèi)波動。可以看出,隨著PTFE 膜厚從0.03 mm 增大到0.08 mm,輸出電流最大幅值提高了3.53 倍。這可能是由于膜厚較小時,PTFE 膜表面累積的負(fù)電荷少,所以水滴在與PTFE 膜表面摩擦?xí)r正電荷轉(zhuǎn)移數(shù)量少,摩擦電流較低;隨著膜厚的增大,水滴與電極之間的電荷轉(zhuǎn)移數(shù)量增加,摩擦電流也隨之升高。然而,當(dāng)膜厚增大為0.1 mm時,摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出電流最大幅值反而降低,在51～120 nA 內(nèi)波動。這可能是由于PTFE 膜太厚,水滴所帶的正電荷難以誘導(dǎo)鋁電極產(chǎn)生負(fù)電荷,導(dǎo)致摩擦電流較低[22]。此外,可以觀察到在同一個電極寬度下,不同PTFE 膜厚摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出電流信號規(guī)律基本一致: 每組均有五個峰值,對應(yīng)一個水滴流過五個叉指電極的輸出電流,且峰值也隨著PTFE膜厚的增大呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。

圖4 不同PTFE 膜厚摩擦納米發(fā)電機(jī)的電流。(a) 0.03 mm;(b) 0.05 mm;(c) 0.08 mm;(d) 0.1 mmFig.4 Current of the triboelectric nanogenerator with different PTFE film thicknesses.(a) 0.03 mm;(b) 0.05 mm;(c) 0.08 mm;(d) 0.1 mm

圖5 所示為不同PTFE 膜厚條件下,摩擦納米發(fā)電機(jī)的電荷量變化情況。當(dāng)PTFE 膜厚從0.03 mm 增大到0.08 mm 時,電荷量幅值的波動范圍由4.82～18.75 nC 增大到8.58～34.95 nC;當(dāng)PTFE 膜厚繼續(xù)增大到0.1 mm 時,電荷量幅值的波動范圍反而減小(5.7～20.16 nC)。顯然,當(dāng)膜厚為0.08 mm 時產(chǎn)生的電荷量最大,是膜厚為0.03 mm 時電荷量的1.86 倍。由此可以看出,PTFE 膜厚會顯著影響水滴與電極之間的電流值和電荷量,輸出電流值和電荷量呈正相關(guān)。PTFE 膜厚為0.08 mm 的摩擦納米發(fā)電機(jī)在不同電極寬度下均有最佳的電輸出性能。

圖5 不同PTFE 膜厚摩擦納米發(fā)電機(jī)的電荷量。(a) 0.03 mm;(b) 0.05 mm;(c) 0.08 mm;(d) 0.1 mmFig.5 Charge of the triboelectric nanogenerator with different PTFE film thicknesses.(a) 0.03 mm;(b) 0.05 mm;(c) 0.08 mm;(d) 0.1 mm

2.3 電極寬度對摩擦納米發(fā)電機(jī)的影響

除PTFE 膜厚以外,電極寬度也是影響摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出性能的重要因素之一。采用具有最優(yōu)電輸出性能的PTFE 膜厚(0.08 mm),進(jìn)一步探究電極寬度對摩擦納米發(fā)電機(jī)電輸出性能的影響。

圖6 為不同電極寬度下摩擦納米發(fā)電機(jī)的電壓值。當(dāng)電極寬度從10 mm 增大到35 mm 時,電壓值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,電壓值從4.85 V 增大到47.42 V,且電極寬度為25 mm 時產(chǎn)生的電壓值最高。當(dāng)水滴尺寸小于電極寬度時,水滴和PTFE 膜表面接觸面積較小,導(dǎo)致接觸表面電荷量累積不足;當(dāng)水滴尺寸大于電極寬度時,水滴和鋁電極所帶的電荷將延伸到相鄰電極上,相鄰電極連接的電流表極性相反,故測得的電壓減小。而當(dāng)水滴落在PTFE 膜表面的尺寸與叉指電極寬度(25 mm)相當(dāng)時,電荷量累積最大,測得的輸出電壓最大[23]。

圖7 為相鄰兩水滴與PTFE 膜摩擦?xí)r產(chǎn)生的電流信號圖。隨著電極寬度逐漸增大,電流幅值與電壓值的變化趨勢完全一致: 當(dāng)電極寬度為25 mm 時,輸出電流幅值最大,分別為453 nA 和318 nA,兩次輸出電流幅值均呈現(xiàn)出由大到小的變化趨勢。這是由于水滴滴落在第一電極上時速度最快,當(dāng)它沿著PTFE 膜表面繼續(xù)流動時,會出現(xiàn)水滴與PTFE 膜分離或殘留部分微小水滴的現(xiàn)象,從而屏蔽PTFE 膜表面的負(fù)電荷,導(dǎo)致電流幅值減小。

由以上分析可知,當(dāng)PTFE 膜厚為0.08 mm,電極寬度為25 mm 時,摩擦納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的開路電壓、短路電流和電荷量值分別為47.42 V,453 nA 和34.95 nC,具有最佳的電輸出性能。

2.4 仿真結(jié)果

為了更加清晰地展示摩擦納米發(fā)電機(jī)工作時電荷轉(zhuǎn)移的過程,闡明水滴沿PTFE 膜表面流動時的電壓分布,本研究采用COMSOL 軟件進(jìn)行有限元模擬。選擇PTFE 膜厚為0.08 mm,相鄰電極間隙為0.2 mm,電極寬度分別為20,25 和30 mm 的指狀電極作為對比。

圖8 所示為水滴沿PTFE 膜表面流動時的仿真結(jié)果圖。由圖8(a)可知,隨著電極寬度的增大,最大電壓值先增大后減小,這與實驗結(jié)果變化趨勢基本一致。結(jié)合圖8(b)和摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作機(jī)制可知: 當(dāng)水滴沿著PTFE 膜表面流動時,累積的負(fù)電荷也沿著鋁電極流動,系統(tǒng)形成電勢差,從而產(chǎn)生摩擦電流;當(dāng)水滴完全位于第二電極上方(ⅱ)時,系統(tǒng)中的電勢差達(dá)到最大,即電壓值最高;當(dāng)水滴從第二電極(ⅱ)流動到第三電極(ⅲ)時,累積的負(fù)電荷會沿著電極反向流動,系統(tǒng)中的電勢差隨之減小,電壓值逐漸下降;同理,當(dāng)水滴從第三電極(ⅲ)流動到第四電極(ⅳ)時,電壓值升高;當(dāng)水滴從第四電極(ⅳ)流動到第五電極(ⅴ)時,電壓值下降。但模擬電壓值仍高于實驗電壓值,這可能是由于在模擬過程中未考慮水滴殘留在PTFE 膜表面的情況所致。

圖8 仿真結(jié)果圖。(a) 電壓值;(b) 電勢分布圖Fig.8 Simulation results.(a) Voltage value;(b) Potential distribution

2.5 實際應(yīng)用

采用相同的實驗裝置模擬雨天環(huán)境,將3 V 的商用LED 燈珠串聯(lián)在面包板上,通過導(dǎo)電線與摩擦納米發(fā)電機(jī)裝置連接,進(jìn)一步考察叉指電極摩擦納米發(fā)電機(jī)用于雨水能量收集的實用性(圖9)。水流流動能夠點亮至少28 個LED 燈珠,優(yōu)于同類型摩擦納米發(fā)電機(jī)的效果,表明本研究基于叉指電極的摩擦納米發(fā)電機(jī)具有更優(yōu)異的電輸出性能[23-24]。

圖9 (a) 摩擦納米發(fā)電機(jī)驅(qū)動LED 工作連線圖;(b) LED 工作圖Fig.9 (a) Triboelectric nanogenerator driven LED working circuit diagram;(b) LED working diagram

3 結(jié)論

本文運用一種簡便高效的方法成功制備出用于水滴能量收集的摩擦納米發(fā)電機(jī),利用叉指電極能夠加快累積電荷轉(zhuǎn)移的特點提升了摩擦納米發(fā)電機(jī)的電輸出性能。結(jié)合實驗測試和有限元數(shù)值模擬分析了摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作機(jī)制。首先,探究了PTFE 膜厚對摩擦納米發(fā)電機(jī)電輸出性能的影響。結(jié)果表明: 當(dāng)水滴與PTFE 膜表面摩擦?xí)r,PTFE 膜厚會影響表面電荷轉(zhuǎn)移量,進(jìn)而對摩擦納米發(fā)電機(jī)的電輸出性能產(chǎn)生顯著影響,由此優(yōu)選出電輸出性能最佳的PTFE 膜厚(0.08 mm)。其次,探討了電極寬度與摩擦納米發(fā)電機(jī)電輸出性能之間的關(guān)系,并通過有限元數(shù)值模擬驗證了實驗結(jié)果: 當(dāng)電極寬度為25 mm 時,摩擦表面的感應(yīng)電荷充分累積并發(fā)生完全轉(zhuǎn)移,此時測得的開路電壓和短路電流最高,分別為47.42 V 和453 nA。最后,采用該摩擦納米發(fā)電機(jī)驅(qū)動了至少28 個商用LED燈珠,驗證了其在雨水能量收集中的實用性。該研究展現(xiàn)了基于叉指電極的摩擦納米發(fā)電機(jī)在低頻水能收集方面的優(yōu)勢,為未來的實際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。