作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 DC腾的工作原理
(一)(一)自然界中的摩擦起电效应和静电击穿(闪电)现象
(二)一个传统的技术专家小组的工作机制
(二)滑模DC-滕示意图
(三)全循环运动中的滑模DC-滕工作机理
(四)DC-腾等效电路模型
(五)DC腾恒流输出
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aav6437
近年来，科学家们致力于将环境能源转化为电能，以满足对更清洁、更可持续的能源的持续需求
采集环境机械能作为一种生态友好的方法是一种有前途的解决方案，在构建物联网中的可穿戴电子集成电路和传感器网络方面发挥着重要作用
摩擦电纳米发电机是一种将机械能转化为电能的自供电、可行的解决方案，专门满足物联网日益增长的需求
在目前的工作中，刘地和中国及美国纳米能源与纳米系统、材料科学与工程、纳米科学与技术部门的同事开发了下一代TENG，通过耦合摩擦起电效应和静电击穿实现恒流输出
他们获得了一个摩擦电荷密度(430立方厘米-2)，远远高于那些受静电击穿限制的传统表面电场
这项研究的发现现已发表在《科学进展》杂志上，旨在促进印度洋金枪鱼委会使用的自供电系统的小型化，并提供一种获取机械能的范式转换技术
材料科学中的可穿戴技术需要具有高储能性能的轻质可穿戴电源模块
它们通常可以通过直接集成可充电能量存储装置来实现，即
e
电池或超级电容器放入织物中
随着电磁发电机、压电纳米发电机和摩擦电纳米发电机技术的发展，机械能量收集已经引起了人们的广泛关注
左图:滑模DC-腾在第一周期的工作原理
铜电极为橙色(CCE)和黄色(铁)，聚四氟乙烯为绿色，丙烯酸为白色
右图:滑模DC-腾的输出性能
(一)滑模DC-滕的定子和滑块的照片(插图)(W是定子的宽度，L是CCE的长度；比例尺，3厘米)
聚四氟乙烯表面纳米线的扫描电镜图像
比例尺，1微米
更大的表面曲率导致超高电场，这更容易空气击穿
(三)本文中的空气放电现象
比例尺，1厘米
(四)短路电流，(五)转移电荷，(六)滑模DC-滕开路电压
(2)短路电流，(3)转移电荷，(4)不同加速度下DC-邓氏滑模的开路电压
不同速度下滑模DC-邓氏变换器的短路电流和开路电压
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aav6437
肌电信号基于法拉第电磁感应定律，适用于大规模发电，而彭斯可以将微小的物理变形转化为自供电小型设备中的电能
基于摩擦电效应和将能量转化为电能的静电感应，传统的坚戈表现出成本效益高、清洁和可持续的特点
滕格斯还提供重量轻，体积小，材料选择广泛，即使在低频高效率
由于整流器(校正器)的要求，例如产生DC输出的旋转整流桥，限制了它的便携性，所以传统的TENGs被保留
此外，交流供电的天梯需要通过传感器集成进行电磁屏蔽，这可以降低其在小型化设备中的适应程度
脉冲输出可以产生非常高的波峰因数，这是影响能量存储和电子器件性能的输出不稳定性的关键指标，其中恒定输入是优选的
虽然最近使用滑动肖特基纳米接触技术实现了恒定的DC输出，但输出电压太低，无法直接驱动电子器件
在目前的工作中，刘等人
因此发明了DC-腾，通过直接耦合摩擦起电效应和静电击穿来解决这些问题并产生恒定的DC，作为一种范式转换技术
DC-腾的工作原理依赖于周围环境中两个接触表面之间的摩擦起电或电荷转移，类似于琥珀效应和闪电背后的相同自然原理
为此，刘等人
在下一代DC-滕装置中用电荷收集电极(CCE)、摩擦电极(FE)和摩擦电层诱发人工闪电
在实验中，科学家使用铜电极作为CCE和铁电极，聚四氟乙烯薄膜附着在丙烯酸板上作为摩擦电层
左:旋转模式DC-腾的工作机理和输出性能
(一)旋转模式DC-腾的结构设计
插图显示了其定子的放大图
(二)旋转模式的工作机制mode腾
(三)伪造的旋转模式DC-腾的照片
比例尺，5厘米
(四)不同转速(300、400、500和600转/分钟1)下旋转模式DC-滕的短路电流、(五)转移电荷和(六)开路电压
(七)不同电阻的旋转模式DC-邓氏变换器的输出电流
插图显示了1千欧姆和40兆欧时的详细输出电流
(1)具有不同电阻的旋转模式DC-邓氏变换器的输出电压和功率
右:应用DC-腾驱动电子设备
(一)系统图和(二)基于DC-腾的自供电系统的电路图，直接为电子设备供电
(C)由旋转模式DC-邓恩在不同转速下充电的电容器的测量电压(470 μF)
(四)具有不同电容的电容器在500转/分钟转速下由旋转模式DC-滕充电的充电曲线
(五)由滑动模式DC-腾直接驱动的手表的照片
(六)由旋转模式DC-腾直接驱动的科学计算器的照片
(八)由旋转模式DC灯提供稳定亮度的81个发光二极管的照片
(8)系统图和(1)自供电系统的电路图，为带有储能单元的电子设备供电
(J)当手表同时由旋转模式DC-滕驱动时，电容器的充电曲线
(K)当科学计算器同时由旋转模式DC-滕驱动时电容器的充电曲线
比例尺，5厘米
(E)、(F)、(G)、(J)和(K)的照片信用:X
尹，中国科学院
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aav6437
基于电极和聚四氟乙烯膜之间的初始对准，刘等人
在聚四氟乙烯薄膜上产生准永久电荷
他们在介质中移动一个滑块，在CCE和带负电的聚四氟乙烯薄膜之间建立一个非常高的静电场
当静电场超过它们之间的介电强度，大约为3千伏/毫米时，附近的空气部分电离，开始导电
在实验中，这种技术使电子从聚四氟乙烯流向CCE，从而合理地诱发空气击穿并制造人工闪电
与没有挖掘空气击穿能量的常规腾格里不同，刘等人
利用CCE有效地收集这些指控
简而言之，在他们的实验装置中，铁上的电子通过摩擦起电转移到聚四氟乙烯，然后通过静电击穿转移到CCE，最后通过外部电路转移到铁
在实验中，当滑块回到其初始状态时，由于CCE膜和聚四氟乙烯膜之间没有电势差，所以外部电路中没有电流
这样，科学家们通过周期性地移动滑块产生了循环DC，他们测量了由电容器的单向电介质击穿产生的DC，以产生持续的传导电流
刘等
显示了DC-邓恩通过介电击穿获得的电荷量大于使用静电感应的传统邓恩获得的电荷量，并且旨在使用这种新的范例作为收集闪电能量的原型
他们打算研究这一过程的详细机制，并在未来形成一个精确的理论模型
电子表直接由滑动模式的DC-腾驱动
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aav6437
在本研究中，刘等人
设计了两种DC-腾模式:滑动模式和旋转模式
为了实现滑动过程，科学家们使用了线性马达和商用马达来驱动旋转过程
他们使用扫描电子显微镜图像来观察聚四氟乙烯表面的纳米线电极(CCE和铁)
当科学家们沿着带电层移动载玻片时，他们捕捉到了电晕放电现象，在聚四氟乙烯和CCE之间的空气击穿过程中出现绿色辉光，这是设备运行过程中空气击穿的确凿证据
他们测量了聚四氟乙烯的表面电位，用异丙醇静电电压表显示静电击穿产生的静电电荷放电，然后用可编程静电计测量短路电流和DC-腾的转移电荷
为了测量滑动模式DC-邓氏电路的开路电压，他们使用了混合域示波器——所有的结果都显示出良好的DC输出特性
刘等
结果表明，DC质子交换膜的初始电荷密度比常规质子交换膜高(330℃/m-2)
为了提高电荷密度，科学家们在聚四氟乙烯表面引入了纳米结构，使用电感耦合等离子体工艺对材料进行改性，在430℃时实现了六倍的电荷密度增强
研究表明，通过对聚四氟乙烯薄膜表面进行简单的结构优化，可以提高系统的输出性能
当刘等人
在3000次循环后，测量DC-邓恩的长期输出电流，DC输出电流几乎保持稳定，证实了装置的良好稳定性
与此同时，科学家们同样测量了旋转模式DC-滕的输出性能
该装置的结构包括一个定子和一个转子，很像滑动模式的DC-滕，这两个定子和转子连接在一起
和以前一样，科学家们进行了测量，以显示发电是如何依靠转子和定子之间的相对旋转来获得比传统的DC-腾更好的性能的
由旋转模式DC-腾提供电源的发光二极管
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aav6437
由于他们连续输出一代，刘等人
演示了新型DC-滕格斯在不使用整流器的情况下驱动电子设备的应用
对于设备功能化，自供电DC-滕格斯能够通过转换机械能直接驱动电子设备
作为原理的证明，科学家们形成了由滑动模式DC-邓恩直接驱动的电子表和由旋转模式DC-邓恩驱动的科学计算器
此外，他们还形成了一个发光二极管灯泡阵列，可以通过DC-邓恩的旋转模式点亮，与通过传统邓恩驱动的发光二极管不同，这些发光二极管灯保持恒定的发光而不闪烁
就这样，刘等人
基于摩擦起电和静电击穿的耦合效应，通过设计下一代DC-滕格斯变换器，实现了机械能向恒定输出电流的转换
他们使用滑动模式的DC-滕和旋转模式的DC-滕来演示这种机制，导致电荷密度值比常规装置高得多(430摄氏度·米-2)
旋转TENG的波峰因数接近1，表明电流输出恒定
新颖的DC-腾是一个有效的策略，收获机械能和电力电子或直接充电储能单元没有整流器
将机械能转化为电能的范式转变也可以促进印度洋金枪鱼委会中可穿戴电子设备和传感器网络中自供电系统的小型化
刘等
进一步设想该装置作为未来收集闪电能量的原型
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
