基于空氣放電開關摩擦納米發(fā)電機的電源管理電路

任有才

（張家口市農(nóng)業(yè)廣播電視學校，河北 張家口 075000）

0 引言

隨著傳統(tǒng)化石能源對環(huán)境造成的污染[1-2]以及其枯竭的風險日益加劇，發(fā)展新型能源的開發(fā)和利用技術，就成為諸多科研院所爭相研究的熱點。2012年中科院“北京納米能源與系統(tǒng)研究所”王中林團隊發(fā)明的摩擦納米發(fā)電機（TENG）[3]，選材范圍廣、制作成本低，在低頻下工作效能高，能夠?qū)h(huán)境中分布的機械能高效轉換為電能。尤其是在低能量密度機械能的收集利用上，存在著極其明顯的優(yōu)勢。

TENG具有高電壓、低電流、高阻抗的輸出特性[4]，若直接給電子器件供電，匹配難度大的問題會嚴重影響TENG的實用價值。為了改變這種不利的現(xiàn)狀，2014年，Zhu等[5]選用高頻轉動TENG，通過與變壓器等器件形成的電源管理電路進行組合，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的直流輸出，驅(qū)動一系列小功耗電子器件正常工作。2018年，Yang等[6]將靜電振動開關應用于旋轉式TENG，并與由變壓器等器件組合成的電源管理電路相結合，通過匹配開關的振動頻率和轉盤的轉動頻率，能夠使TENG的電學輸出達到最佳。由變壓器等器件組成的電源管理電路，具有降低電壓、提高電流和變換阻抗的功能，以此來解決TENG與電子器件之間的匹配問題，是一種極佳的選擇手段。然而，傳統(tǒng)的方法要求TENG有較高的輸出頻率，否則會造成變壓器工作效率低下，這與TENG在低頻下工作效能高的特性存在著矛盾，不利于推廣和應用。

2013年，Cheng等[7]報道了一種空氣放電開關摩擦納米發(fā)電機（TENG-ADS）?？諝夥烹婇_關被高電壓擊穿時，會產(chǎn)生頻率很高的火花放電，這樣就可以有效地提升TENG-ADS的輸出頻率?；谝陨涎芯?，本文將兩個非平行接觸分離式TENG聚合在一起，然后引入空氣放電開關，制備成一個空氣放電開關摩擦納米發(fā)電機（TENG-ADS）。再基于空氣放電開關放電時具有很高的頻率這一特性，設計出一種由變壓器和整流濾波器件組成的電源管理電路。并在實際工作中，對TENG-ADS與電源管理電路的組合效果進行了測試。

1 TENG-ADS的制備及工作原理

1.1 TENG-ADS

在TENG的研究中，為了有效降低內(nèi)阻、確保能量最大輸出，在傳統(tǒng)的TENG系統(tǒng)中，引入了一些不同類型的開關，如機械觸發(fā)開關[8]、靜電振動開關[6]及空氣放電開關等。其中，引入了空氣放電開關的TENG被稱作TENG-ADS。

1.2 TENG-ADS的制備

由于TENG單個器件輸出功率有限，制備TENG-ADS時，可以選擇將兩個非平行接觸分離式TENG聚合在一起，然后再引入空氣放電開關。這樣制備成的TENG-ADS更加具有實用價值，TENGADS結構如圖1所示。

圖1 TENG-ADS結構示意圖

1.2.1 材料選擇

金屬電極選用價格相對低廉的鐵質(zhì)材料，厚度上不做具體要求，但需要有一定的機械強度，面積為50 cm×40 cm，數(shù)量為三份。聚四氟乙烯（PTFE）選用厚度為0.5 mm，面積50 cm×40 cm的薄膜，數(shù)量為兩份。介質(zhì)材料選用厚度為1 mm左右的塑料薄膜，單層、多層均可，面積為50 cm×40 cm，數(shù)量為兩份。空氣放電開關選用兩個螺絲釘，尖尖相對，固定在絕緣支架上調(diào)整好適宜的間距即可，如圖2（a）所示。其他材料：選擇長度為60 cm，寬度為10 cm的絕緣板一塊；長度為40 cm左右?guī)в袃?nèi)槽的支架兩個；打好孔的直角金屬料四個；合頁四個；螺絲釘若干。

1.2.2 制備過程

首先，按照50 cm的距離，用直角金屬料將帶有內(nèi)槽的支架固定在絕緣板上，再將中間金屬電極、介質(zhì)材料和PTFE依次插入支架的內(nèi)槽。然后，在外面兩個金屬電極上各安裝兩個合頁，用螺絲釘固定在絕緣板上。并按照圖1所示，在輸出電路上連接好空氣放電開關和相應的負載即可。制備好的TENG-ADS如圖2（b）、（c）所示。

圖2 空氣放電開關及TENG-ADS實物圖

1.3 TENG-ADS工作原理

TENG-ADS工作原理如圖3所示。（a）表示當外面兩個金屬電極與PTFE薄膜相互靠近并接觸時，根據(jù)接觸起電原理，接觸表面會產(chǎn)生正負兩種不同性質(zhì)的電荷。金屬電極上面的電荷為正電荷，PTFE上面的電荷為負電荷。（b）表示外面兩個金屬電極在外力作用下與PTFE之間由接觸狀態(tài)逐漸分離，隨著距離的不斷增加，空氣放電開關兩端電壓不斷上升，當電壓上升到將空氣放電開關的間隙擊穿時，外面兩個金屬電極上面的正電荷，通過電極放電流到了中間金屬電極上面。（c）表示隨著外面兩個金屬電極上面正電荷數(shù)量的不斷減少，空氣放電開關兩端電壓不斷下降，當電壓下降到無法擊穿空氣放電開關的間隙時，空氣放電開關便停止了放電。（d）表示外面兩個金屬電極在外力作用下逐漸靠近PTFE，隨著距離的不斷減小，空氣放電開關兩端的電壓不斷上升，但極性與上次相反。當電壓上升到再次將空氣放電開關的間隙擊穿時，中間金屬電極上面的正電荷，通過電極放電又流回到外面兩個金屬電極上面。一個工作流程結束后，TENG-ADS的狀態(tài)又回到了（a）。

圖3 TENG-ADS工作原理示意圖

眾所周知，在利用水能發(fā)電時首先需要在水流經(jīng)過的地方建造一座蓄水大壩，用來提高水位、增加水的重力勢能，在TENG系統(tǒng)中引入一個空氣放電開關與此原理類似?？諝夥烹婇_關的引入導致輸出電路處于開路狀態(tài)，輸出電荷的勢能只有達到能夠?qū)⒖諝夥烹婇_關的電極間隙擊穿時，才能通過氣體放電從一個金屬電極流到另一個金屬電極上面。這樣不僅能有效地提升輸出電荷的勢能，而且還可以通過能量的集中釋放，降低TENG的內(nèi)阻，實現(xiàn)最大的能量輸出。

2 火花放電波形及頻譜分布

2.1 火花放電

在通常氣壓下，當在曲率不太大的冷電極間加上高電壓時，若電源供給的功率不太大就會出現(xiàn)火花放電。火花放電時碰撞電離并不是發(fā)生在電極間的整個區(qū)域，而只是沿著狹窄曲折的發(fā)光通道進行，并伴有爆裂聲。

2.2 火花放電波形

火花放電發(fā)生時，電極間的氣體由絕緣體瞬間變?yōu)閷w，導致放電電流快速增加，而由于電源功率不夠電壓快速下降，放電暫時熄滅，待電壓恢復后再次放電，所以火花放電具有間歇性[9]。為了對火花放電頻率進行定量分析，選擇直徑為2 mm的銅電極，將間距調(diào)整為2 mm，制備成一個空氣放電開關。然后再給容量為30 nF的電容充上8 kV的電壓，在常壓空氣環(huán)境下，通過空氣放電開關放電，可以觀察到的火花放電波形如圖4（a）所示。由于電路中有自生電感的存在，放電回路的波形呈現(xiàn)出振蕩衰減欠阻尼形式[10]。從火花放電的波形中可以得出，火花放電的頻率非常之高，可以達到250 kHz以上。

2.3 火花放電頻譜分布

圖4（b）為火花放電曲線圖。對火花放電做傅立葉分析時，一般都會將這種振蕩的脈沖曲線當作比較窄的高斯波包，根據(jù)傅立葉變換的性質(zhì)，高斯波包越窄其變化后的波包越寬，也就是說火花放電時間越短它的頻譜分布越廣。當然，這個廣是指一定強度以上的分布，如果不管強度只要有就算上的話，火花放電的頻譜可以是零到無限大?；鸹ǚ烹娝念l率雖然相當豐富，但是在各個頻段的強度并不是平均的，有的頻段要強一些，有的頻段要弱一些。

圖4 火花放電波形和曲線圖

3 電源管理電路的設計制作及工作原理

3.1 電源管理電路的設計

由于TENG高電壓、低電流、高阻抗的輸出特性，不適宜給大多數(shù)電子器件直接供電?？紤]到TENG-ADS中的空氣放電開關被高電壓擊穿時會產(chǎn)生頻率很高的火花放電。基于這一特性，設計出了一種由變壓器和整流濾波器件組成的電源管理電路，如圖5所示。

3.2 電源管理電路的材料的制備

由于圖5的設計是建立在TENG-ADS的基礎上的，而TENG-ADS輸出電荷的勢能非常高，并且能量釋放又過于集中，普通變壓器很難滿足實用要求。制備時可以選擇4~5個輸入220 V輸出12 V的普通變壓器，然后將輸入端串聯(lián)，輸出端并聯(lián)，但需要注意的是連接時相位一定不能接反。整流二極管，選用集成整流橋堆或分離元件均可，功率要求不高，但耐壓至少要達到100 V。濾波電容C1可以選擇耐壓50 V容量10 mF的電解電容，選擇容量低的濾波電容，容易出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。

圖5 基于TENG-ADS的電源管理電路原理圖

3.3 電源管理電路的工作原理

TENG產(chǎn)生的高電壓將空氣放電開關擊穿時，會產(chǎn)生頻率很高的火花放電，這就為變壓器T提供了適宜的工作頻率。TENG輸出高電壓、低電流、高阻抗的電能，經(jīng)過變壓器T的變換，再經(jīng)過D1~D4組成的橋式整流器進行整流，和C1濾波電容進行濾波，就可以給負載LED燈泡提供穩(wěn)定的直流電源。

4 TENG-ADS與電源管理電路組合效果測試

測試前，將制備好的TENG-ADS和電源管理電路組合在一起。并準備兩個不同規(guī)格的LED燈泡，分別為LED燈泡a和LED燈泡b，以及47型萬用表一塊。

測試時，先將LED燈泡a接入電源管理電路的輸出端，再用化纖布摩擦PTFE使其帶上靜電。然后在1 Hz~2 Hz的工作頻率下，用47型萬用表通過與LED燈泡a并聯(lián)和串聯(lián)，測出電源管理電路的輸出電壓和電流，結果如圖6（a）、（b）中紅線（虛線）所示。在0 s~40 s之間，由于LED燈泡a不能導通，輸出電壓呈線性上升狀態(tài)。工作到40 s時，LED燈泡a導通開始工作，輸出電壓和輸出電流逐步穩(wěn)定在20 V和1.8 mA，之后基本上不再發(fā)生大的變化。此時，LED燈泡a發(fā)出光的亮度如圖6（c）所示。

再用相同方法測試LED燈泡b作為負載時，電源管理電路輸出的電壓和電流，結果如圖6（a）、（b）中藍線（實線）所示。在0 s~22 s之間，即LED燈泡b導通前，輸出電壓呈線性上升狀態(tài)。工作到22 s時，LED燈泡b導通開始工作，輸出電壓和電流逐步穩(wěn)定在12.8 V和3 mA，之后不再發(fā)生大的變化。

圖6 TENG-ADS與電源管理電路組合測試結果

從測試的結果中可以得出，輸出電壓和電流的大小與負載功率有關。負載功率小，輸出電壓高、電流低；負載功率大，輸出電壓低、電流高。但是輸出總功率可以維持在180 mW/m2以上。

5 結束語

基于TENG-ADS的電源管理電 路，由變壓器和整流濾波器件組成。由于利用了空氣放電開關被高電壓擊穿時會產(chǎn)生頻率很高的火花放電這一特性，在1 Hz~2 Hz較低的工作頻率下，用兩個不同規(guī)格的LED燈泡作為負載，分批次測試TENG-ADS與電源管理電路的組合效果。結果顯示，輸出的直流電壓和直流電流分別為20 V、12.8 V和1.8 mA、3 mA，輸出直流功率可以達到180 mW/m2以上，并且性能非常穩(wěn)定。由此可以得出以下結論：1）由于空氣放電開關放電時可以給變壓器提供適宜的工作頻率，所以基于TENG-ADS的電源管理電路，輸出性能基本上不受工作頻率的影響。2）由于變壓器具有降電壓、升電流和變換阻抗的功能，所以基于TENG-ADS的電源管理電路，可以很好地解決TENG因高電壓、低電流、高阻抗的輸出特性而與電子器件之間存在的匹配難度大的問題，從而進一步提升TENG的實用價值。