【摘 要】
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随着科技的发展,世界对于能源的需求不断增加,电力成为人们生活的必需品。传统能源促进了社会进步和文明发展,其消耗也在不断增加,同时传统能源不可再生性、化石燃料排放的二氧化碳加速全球变暖等问题也日益突出,为了解决这些问题,人们不得不关注不产生或极少产生污染物的可再生能源,如太阳能、风能、地热能、生物质能等。2012年,基于摩擦起电和静电感应原理的摩擦纳米发电机（Triboelectric nanoge
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随着科技的发展,世界对于能源的需求不断增加,电力成为人们生活的必需品。传统能源促进了社会进步和文明发展,其消耗也在不断增加,同时传统能源不可再生性、化石燃料排放的二氧化碳加速全球变暖等问题也日益突出,为了解决这些问题,人们不得不关注不产生或极少产生污染物的可再生能源,如太阳能、风能、地热能、生物质能等。2012年,基于摩擦起电和静电感应原理的摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator（TENG））应运而生。摩擦纳米发电机致力于将不规则、低频和分布式机械能收集起来,并将其转化为电能,以给小型电子设备实现持续供电,并在自供电传感器中扩展应用。基于摩擦纳米发电机低成本、易于制造、适应性广等优点,现已成为热门研究领域之一,其在风能、海洋能等一系列可再生能源的收集与利用上优势突显。本文结合自然环境中风的特性,以TENG技术以及流致振动为基础,以有效收集风能并实现自供电传感与监测为根本目的,构建了基于流致振动的微风能量的收集与监测系统,为自供电风力传感系统在无线环境监测网络中的潜在应用提供了可靠的思路。全文主要研究工作及结论如下:（1）基于颤振效应的接触分离模式的摩擦电纳米发电机（A flutter-effect-based triboelectric nanogenerator（FE-TENG））主要由两部分组成:风驱动部分和TENG单元部分。为了优化输出,降低启动风速,实现快速响应,分别对FE-TENG各参数对电输出的影响进行了测试。在最优化条件下,4.5 m/s风速时,一个FE-TENG单元的瞬时功率在58 MΩ的匹配负载下达到了4 m W（约合体积功率密度1.36 W/m~3）的最大值,开路电压能达到约281 V,短路电流约为13.4μA,转移电荷量约为143 n C。基于风速与电输出信号之间良好的线性关系,创建了基于Lab VIEW软件的平台,以实现监测低风速数据的自供电传感,研究结果表明:FE-TENG具有较高的灵敏度（达12.1 V/（m/s））和对风的快速响应能力。该项工作为收集风能的摩擦纳米发电机所存在的能量损耗等问题提供了较好的方法。（2）基于流致振动的塔式摩擦电纳米发电机（Tower shaped triboelectric nanogenerator based on flow induced vibration（T-TENG））与流体的相互作用,构建了流体与器件之间的理论模型,对其进行了理论分析。研究结果表明:理论指向性的优化了T-TENG的接触状态,以实现最大的能量转化效率,在4.3 m/s风速下,T-TENG在匹配阻抗为50 MΩ时有最大输出功率密度为1.46 m W（约合体积功率密度2.10 W/m~3）,短路电流平均峰值在10μA左右,开路电压平均峰值约为199 V,转移电荷量平均峰值约91 n C。基于风的随机、多向的特点,设置了多T-TENG单元环绕,以精细划分风向,实现了基于T-TENG的风向可视化。基于开路电压与风速良好的线性关系,实现了关于Lab VIEW软件的风速以及风向传感系统平台,并完成自供电森林气象台的构建。最后,作为实际应用中不可忽视的因素,T-TENG的机械耐久性被进行了评估,在100 k次循环后标准化输出仅下降4%。该项工作进一步扩展了FE-TENG的应用平台,展现了自供电风力传感系统在无线环境监测网络中的潜在应用。
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