基于摩擦生電原理拉哨狀供能裝置的構(gòu)造與應(yīng)用研究

馮路橋

隨著智能時(shí)代的到來，無線可移動便攜式或可穿戴設(shè)備越來越多地走進(jìn)人們的日常生活，然而，以何種持續(xù)環(huán)保的方式給這些電子設(shè)備供電，向人們提出了新的問題。中學(xué)物理課上講過摩擦生電原理，是否可利用這個(gè)原理，設(shè)計(jì)一種可持續(xù)、便攜、自驅(qū)動供能裝置，為生活中的一些小型設(shè)備，如智能穿戴、健康監(jiān)測儀器等供能，引起了我的興趣。受到高速旋轉(zhuǎn)的拉哨玩具（圖1）的啟發(fā)，我設(shè)計(jì)了一種基于摩擦生電原理的具有高輸出功率的拉哨狀摩擦納米發(fā)電裝置（Whirligiginspired Triboelectric NanogeneratingDevice，Wi-TENG）。它可將低頻拉動轉(zhuǎn)換成高頻轉(zhuǎn)動，其摩擦產(chǎn)生的電能可迅速將1個(gè)100 uF商業(yè)電容在10s內(nèi)充電至14V。這種拉哨狀摩擦發(fā)電供能裝置能成功地驅(qū)動智能穿戴、健康監(jiān)測儀器等設(shè)備，展示了作為便攜式能量轉(zhuǎn)換裝置的巨大潛力。

設(shè)計(jì)思路

我參考拉哨的運(yùn)動結(jié)構(gòu)，將拉哨的運(yùn)動圓盤改成了發(fā)電裝置的獨(dú)立層，作為發(fā)電機(jī)的驅(qū)動部分。繩子能夠高度螺旋化纏繞，每解1次旋，轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)1圈，短時(shí)間內(nèi)，如果繩子能夠快速解旋，那么轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到一個(gè)較大值。

由于繩子要能夠在短時(shí)間內(nèi)快速解旋，所以轉(zhuǎn)子的重量要足夠輕薄，于是我選擇了密度較小、剛度較大的丙烯酸塑料（也稱有機(jī)玻璃）作為轉(zhuǎn)子的基底。同樣，基底的厚度越輕薄越好，綜合市面上能購買到的產(chǎn)品的重量和平整度，我確定轉(zhuǎn)子的基底厚度為2mm。而定子的基底雖然不影響電荷輸出的大小，但是出于重量等因素考慮，同樣選擇2mm的厚度。根據(jù)電負(fù)性的結(jié)果，摩擦層的材料我選擇了電負(fù)性很強(qiáng)的介電材料納米聚四氟乙烯（PTFE）。Wi-TENG將低頻拉動運(yùn)動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的高頻旋轉(zhuǎn)，從而獲得大的機(jī)械運(yùn)動能。Wi-TENG的電極設(shè)計(jì)成放射狀，是為了增大每轉(zhuǎn)1圈累計(jì)轉(zhuǎn)移的電荷量，比如1圈分成24個(gè)扇形小塊，每轉(zhuǎn)30°（2個(gè)小扇形）就會完成1次電荷轉(zhuǎn)換。

材料與方法

選用柔韌性好、高強(qiáng)度和耐磨的棉

聚酯縫紉線（成分為65%的滌綸短纖維和35%的棉纖維）作為纏繞繩，選取厚度為2mm丙烯酸板作為基體。用激光切割機(jī)對丙烯酸板進(jìn)行切割和雕刻后，用物理氣相沉積法將厚度為40μm導(dǎo)電銅層覆蓋在制備的丙烯酸基體表面上。將銅層分為2組，共24個(gè)扇形電極，不同組的電極交替排列。然后，厚度為80μm的12個(gè)扇形納米聚四氟乙烯薄膜，用厚度100mm的聚酰亞胺膠帶固定在直徑為70mm丙烯酸圓板上。最后，所制備的零件通過螺釘、彈簧和軸承組裝成發(fā)電裝置。

本裝置基本能量轉(zhuǎn)換元件有3部分，包括1個(gè)獨(dú)立轉(zhuǎn)子和2個(gè)同軸定子。轉(zhuǎn)子在1個(gè)丙烯酸圓盤每面覆蓋上12個(gè)扇形聚四氟乙烯薄膜。為了增強(qiáng)Wi-TENG的電荷輸出性能，用表面電感耦合等離子體反應(yīng)離子刻蝕的方法對聚四氟乙烯薄膜進(jìn)行處理，得到表面粗糙的結(jié)構(gòu)。定子是由一系列徑向排列的銅箔組成的電極部分。為確保絕緣子部分與電極部分重合，采用激光切割機(jī)對聚四氟乙烯薄膜和銅箔的丙烯酸基底進(jìn)行精確切割和雕刻。

圖2顯示了拉哨狀便攜式供能裝置結(jié)構(gòu)，圖3是該裝置的輪廓及旋轉(zhuǎn)摩擦原理。由于繩子柔韌性很強(qiáng)，可以很容易地沿著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向緊密地螺旋纏繞。當(dāng)繩在短時(shí)間內(nèi)解旋時(shí)，轉(zhuǎn)子可以高速旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到感應(yīng)電荷迅速在2個(gè)電極間來回轉(zhuǎn)移的目的。圖4為制作完成后的電極和轉(zhuǎn)子，圖5展示了制作好的裝置實(shí)物。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對制作好的拉哨狀便攜式供能裝置的電學(xué)性能進(jìn)行探究，我們首先通過控制單一變量法，探究了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子定子間距對該便攜式供能裝置電學(xué)性能的影響，隨后結(jié)合理論分析，通過對器件參數(shù)的調(diào)整，得到了最適宜的器件規(guī)格。

經(jīng)過系統(tǒng)測量，實(shí)驗(yàn)研究證明了在施加50N外力的情況下，轉(zhuǎn)子可達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速約為每分鐘1.1萬轉(zhuǎn)。在這種超高速轉(zhuǎn)速下，Wi-TENG的短路電流的峰值為317μA，開路電壓峰值為153V。在外接電阻阻值為1.2MQ的情況下，拉哨狀摩擦納米發(fā)電機(jī)可以提供40.18mW的峰值輸出功率。拉動時(shí)它可以點(diǎn)亮近百個(gè)商業(yè)發(fā)光二極管，在10s內(nèi)能夠?qū)?個(gè)商業(yè)電容器（100 μF）充電到14V。通過電源管理電路，WiTENG成功為家用血糖計(jì)完成一次血糖濃度測試供能。此外，本研究也證明了這個(gè)便攜式Wi TENG每拉動1個(gè)周期（約2s）能供溫度和濕度傳感器工作約47s。

通過對測試數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)累計(jì)電荷轉(zhuǎn)移量在每1次拉動循環(huán)中為310μC，每秒輸出能量高達(dá)9.9mJ/s。與現(xiàn)有報(bào)道的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置相比較，本裝置的輸出電荷密度高達(dá)9.02μC/cm2，遠(yuǎn)高于其他研究結(jié)果，如光纖伸縮法1.182μC/cm2、電容器法0.27μC/cm2和可伸縮硅膠法1.8μC/cm2。

創(chuàng)新點(diǎn)

新體系：受傳統(tǒng)拉哨玩具啟發(fā)，基于摩擦生電原理，構(gòu)造了一個(gè)重量輕、便攜帶、拉哨狀的供能裝置。

新效果：該拉哨狀便攜式供能裝置的轉(zhuǎn)子速率最高可達(dá)每分鐘11000轉(zhuǎn)，能獲得超高的輸出能量。在可視化演示中，能將96顆LED燈照亮，顯示了在高速旋轉(zhuǎn)摩擦?xí)r，有大量電荷產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移，并能持續(xù)供電。

新應(yīng)用：用拉哨狀便攜式供能裝置驅(qū)動健康監(jiān)測等裝置，如血糖計(jì)、溫度和濕度計(jì)，能得到有效的血糖濃度、溫度和濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)。即通過電源管理后，獲得了自供能健康檢測系統(tǒng)的供能端。

小結(jié)

利用摩擦生電的原理，構(gòu)造的拉哨狀摩擦發(fā)電裝置，具有體積小、重量輕、性能優(yōu)異的特點(diǎn)，它能將低頻的拉伸運(yùn)動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的高頻旋轉(zhuǎn)摩擦運(yùn)動，提高了能量的利用率，在智能穿戴、健康監(jiān)測儀器和應(yīng)急電源設(shè)備等領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景。

專家評語

該項(xiàng)目基于生活中的摩擦發(fā)電現(xiàn)象，并受拉哨玩具可將低頻的拉伸運(yùn)動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的高頻旋轉(zhuǎn)摩擦運(yùn)動的啟發(fā)，設(shè)計(jì)和制作了將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿睦跔钅Σ凉╇娧b置，結(jié)構(gòu)新穎.制作環(huán)保.供電性能好、成本低.易實(shí)現(xiàn).輕便。建議可進(jìn)一步優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)或采用新材料，獲得更高的供電性能。