随着“双碳”目标的提出,大力发展新能源是实现目标的最佳路径。截至目前,开发新能源相关的技术有电磁、压电以及摩擦电等形式。然而,由于环境能源的低频、无序、分布广泛等高熵特点导致其难以高效俘获。摩擦纳米发电机因其在低品位环境能源中具有优异的俘能与输出特性,引起了广泛的关注。为解决自然环境能量俘获过程中,摩擦纳米发电机输出性能有限的共性瓶颈问题,本课题基于电荷钳位策略以及相位耦合原理,提出了两种面对不同应用场景的高性能输出摩擦纳米发电机。首先,本文基于麦克斯韦方程组与节点法,分析并推导了高性能输出摩擦纳米发电机电荷累积、储存以及转移等机制的相关理论,揭示电荷钳位式摩擦纳米发电机的电路及运动结构等参数以及恒定输出式直流摩擦纳米发电机的相数和组数对输出特性的作用规律,形成了用于高性能输出摩擦纳米发电机的设计理论与方法;其次,结合上述理论方法,通过分析摩擦纳米发电机机械结构的运动特性、发电单元的输出波形特性,确定运动结构单元和发电单元之间的耦合关系,利用有限元仿真分析,确定了发电机的机械、电极结构参数,研制了可实现输出性能大幅提升的电荷钳位式摩擦纳米发电机,并利用相位耦合原理实现恒定输出的直流摩擦纳米发电机;最后,探究了摩擦纳米发电机各参数与输出性能的匹配关系,系统研究了波形输出的稳定性,并成功点亮商用温湿度传感器,实现了发电机的稳定高效输出。实验结果表明,基于电荷钳位策略的集成化样机,实现了1300 V,110μA,1.01μC与25.96 m W的输出,并在小于5 m/s的风吹环境下驱动大约500个发光二极管和商用温湿度传感器;此外,恒定输出式直流摩擦纳米发电机随着相数和组数的增加,波峰因数随之降低,电容充电效率显著提高。其中,3相5组型样机的波峰因数为1.08,实现了近乎连续恒定的直流输出;相比1相3组型样机,其电容充电效率提高了3倍,可以为小型传感器持续供电。本文提出了自然环境下摩擦纳米发电机高效俘能新方法,对推进摩擦纳米发电机的应用与发展将具有重要的参考指导意义。