随着物联网和互联网技术的飞速发展,传感器的需求日益增加。在偏远地区或者开放海域的资源开发和环境监测尤其需要使用无线传感器,从而实现对环境的实时监测和数据采集与传输。但是传统的对无线传感器的供电方式多是采用电池或者太阳能电池板,普遍成本高昂,尤其是电池供电的方式,电池使用寿命有限,且不可重复利用,对环境造成很大的影响,因此应当考虑如何从环境中收集能量,从而实现无线传感器的自供能。风能,作为一种普遍存在于环境中的清洁能源,分布广泛,便于采集,是一种理想的可用于为无线传感器供能的能量来源。目前,风能采集的方式主要是以基于电磁感应原理的大型风力发电机为主,基本上都在兆瓦级以上,尽管输出功率很高,但是对于小型的传感器来讲并不适用,传感器的所需功率基本在微瓦到毫瓦级。因此,实现无线传感器的小型化自供能是解决这些问题的一个可行方案,也将是本文研究的重点。摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,TENG),自王中林院士在2012年提出以来,作为一个全新的和前沿的方向,成为学术界研究的热点之一,在自供能和传感器领域的应用受到了广泛的重视。TENG的基本原理是摩擦起电和静电感应的耦合,由于材料摩擦电序列的差异,不同材料在接触摩擦的时候会产生静电,形成静电场,并驱动电荷在电极之间转移,摩擦副周期性的相对位移会改变电场强度,形成交变的电场和电流。因此,TENG可有效地将机械运动的能量转化为电能,从而实现为传感器供电。本文基于接触式独立层摩擦纳米发电机(Contact Freestanding Triboelectric-Layer TENG)提出了一种薄膜拍打型摩擦纳米发电机(Films Flapping Triboelectric Nanogenerator,FF-TENG),用于采集风能,可以为环境中的无线传感器节点供电,或者用于传感。通过将摩擦纳米发电机与风致薄膜振动耦合,结合各自的工作原理,对风速、膜长以及薄膜数量等参数进行了实验与分析,实现了该装置对风能的有效采集,并使其具备了了为无线传感节点供能的能力。本文主要研究内容与结论如下:首先,本文对摩擦纳米发电机的发电原理和薄膜拍打的原理进行了理论分析。通过这些理论依据,确定了影响实验器件发电性能的一些主要参数,为实验方案设计和实验结果的解释奠定了理论依据。此外,对薄膜的拍打特性进行了流场显示实验,这能够帮助理解本文发电模型的输出特性规律。其次,在深入研究了现有风能采集技术的基础上,提出了基于薄膜拍打型的摩擦纳米发电机,用于风能的采集,并对主要参数进行了实验分析。经过系统的实验,发现随着风速的增加,对于一定长度的PTFE薄膜,器件的输出电压和转移电荷量先是随风速增加,但是当风速达到一定值(约4.74m/s)后,输出电压和转移电荷量便不再有明显的增减,处于一种波动的稳定状态。而器件的短路电流则随风速的增加而增加。在一定风速下,随着薄膜长度的增加,器件的输出电压和转移电荷量也在增加,短路电流则在薄膜长度达到一定值后趋于稳定值。再次,在单个薄膜实验的基础上,本文提出了双薄膜和多薄膜拍打型的发电模型,这是前人未曾提出的模型,通过实验也发现了这种模型独特的发电性能和特点。实验发现,对于双薄膜FF-TENG,下游薄膜的发电性能比上游薄膜和单个薄膜的都要好,且上下游薄膜的拍打频率没有明显差别。此外,本文又进一步研究了多薄膜(四个串列布置的薄膜)FF-TENG的输出特性。通过分析对比每个薄膜的输出电信号,发现了与前人实验结果类似的现象,即下游薄膜的发电性能要优于上游薄膜,同时它们的拍打频率也基本相等。最后,本文对优化后的发电器件进行了演示实验,以验证其发电能力和工作性能。本文测试了在不同电路连接方式下,双薄膜FF-TENG的输出功率,在串联时其输出功率最大为167.8mW,输出电压是80mm长单薄膜FF-TENG的1.87倍,160mm长单薄膜FF-TENG的1.45倍,有效地提高了发电效率。通过点灯实验,点亮了 304个LED灯,展示了其出色的输出性能,说明器件可以在相应的条件下稳定地为用电单元提供充足且稳定的能量来源。