1.International R & D Center of Micro-nano Systems and New Materials Technology, Key Laboratory of Optoelectronic Technology & Systems Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400044, China 2.Pinggao (Group) Smart Electric Power Science & Techology Co., Ltd. Pingdingshan 467001, China 3.School of Electric and Mechanical Engineering, Pingdingshan University, Pingdingshan 467000, China 4.State Key Laboratory of Mechanical Transmissions, Chongqing University, Chongqing 400044, China 5.China Academy of Aerospace Aerodynamics, Beijing 100074, China
Fund Project:Project supported by the National Key Research and Development Program of China (Grant No. 2019YFB2004800), the Fund for Cultivating Talent of Chongqing University, China (Grant No. CQU2019HBRC1A04), and the Fundamental Reserach Funds for Central Universities, China (Grant No. 2019CDCGGD320)
Received Date:26 May 2020
Accepted Date:17 June 2020
Available Online:13 October 2020
Published Online:20 October 2020
Abstract:As the age of the internet of everything begins, the demand for various sensors to communicate with each other is soaring. As the lifeblood of the sensing system, reliable energy supply is the key consideration. Environmental mechanical energy harvesting has been a key technology for self-powering sensing system, which can convert mechanical energy into electric energy. Here, we present a non-resonant triboelectric-electromagnetic hybridized nanogenerator, which can scavenge low-frequency vibration energy from environmental vibration. In the device a rotating gyro is used as a core component. An embedded magnet and four coils arranged evenly around at the bottom of the shell form an electromagnetic generator (EMG), and a piece of triboelectric film pasted on the outer surface of the gyro together with a bottom electrode constitutes a triboelectric nanogenerator, (TENG). With the design of rotating gyro, a high sensitive energy capture can be realized under low frequency and irregular vibration. Under the rotation and revolution of the gyro, the triboelectric and electromagnetic energy will be generated. Through theoretical analysis and software simulation, the working principle of the device is expounded. Based on a linear motor platform, the influences of oscillation frequency and amplitude are systematically studied, and the maximum power of 0.084 mW under a loading resistance of 20 MΩ and 4.61 mW under 800 Ω are obtained at a driving frequency of 2 Hz by the TENG and EMG, respectively. The energy conversion efficiency of the system is 0.45%. Moreover, by placing the devices on the legs and arms of the human body respectively, the ability of the hybridized nanogenerator to capture the simple movement energy of the human body is further verified. After that, a self-powering pedometer module is successfully integrated with the energy storage unit. Under the excitation provided by running a body, the hybridized nanogenerator can provide a 20-s pedometer normal operation after charging a capacitance of 100 μF to 3.2 V. This research not only provides a new idea for the efficient acquisition of vibration energy, but also has potential applications in the energy supply of self-powered sensors. Keywords:non-resonant/ hybridized nanogenerator/ vibration energy
为了实现对波浪能的高效获取与转换, 本文提出了一种非谐振式低频电磁-摩擦复合振动能量收集器件, 其结构模型如图1(a)所示, 结构分解图如图1(b)所示. 其核心结构主要包括: 一个集自转与公转为一体的空心旋转陀螺(?35 mm × 40 mm), 4个1000匝的线圈(?20 mm × 20 mm), 一个圆柱形钕铁硼磁铁(?18 mm × 20 mm), 一个PCB电极板(?100 mm), 一个圆柱形框架(?110 mm × 40 mm)和一些连接部件(图1(c)). 空心旋转陀螺与圆柱形框架均采用3D打印技术由白色树脂打印而成. 在圆柱形框架的底部粘贴有一块镀有叉指锡层的PCB板, 用来作为摩擦电极, 其与粘贴在空心陀螺的外表面的FEP薄膜共同组成摩擦单元. 磁铁采取与陀螺母线方向垂直的方式用热熔胶固定于空心陀螺内部, 其与等距粘贴在圆柱形框架底部外侧的4个线圈共同组成电磁发电单元(图1(c)所示). 陀螺采用螺钉和套环连接方式固定在圆柱形框架的中心, 从而实现自转滚动与公转滚动. 为了减小陀螺在运动过程中的阻力, 将一个具有中孔(?3.5 mm)的圆球(?4.5 mm)放置于连接环与螺帽之间. 整个系统的正反面实物照片如图1(d), (e)所示. 在外界激励的作用下, 旋转陀螺将绕其顶点顺时针或逆时针滚动, 从而实现360°旋转俘能. 图 1 系统结构模型 (a)电磁-摩擦复合能量收集器模型图; (b) 复合能量收集器结构分解示意图; (c) 陀螺刨面图; (d), (e) 电磁-摩擦复合能量收集器的正反面照片 Figure1. The structure model of the system: (a) The model diagram of the hybridized nanogenerator; (b) schematic diagram of structural decomposition of the hybridized nanogenerator; (c) the cross-section of the gyro; (d), (e) digital photograph of the TENG and EMG hybridized nanogenerator.
22.2.理论分析 -->
2.2.理论分析
本文所提出的基于旋转陀螺结构的滚动摩擦发电机模型可以等效为一个独立滚动摩擦层(FEP)与一些金属电极对(锡)之间的滚动摩擦起电过程. 每相邻的一对叉指电极与陀螺外层的摩擦材料(FEP)即可构成一个发电单元, 以一个发电单元为例详细阐述其起电原理, 如图2(a)所示. 当陀螺滚动到电极1上时, 由材料电负性可知, 金属锡相对FEP具有更强的正电荷亲和性[21], 因此会在电极1上积累一定数量的正电荷, 在FEP上积累相同数量的负电荷(图2(a) Ⅰ); 当陀螺在外界激励作用下从电极1向电极2上滚动时, 电极1上的正电荷将会通过外部电路由电极1流向电极2, 形成发电的前半周期(图2(a) Ⅱ); 当陀螺由电极1完全滚动到电极2上后, 电极1上的正电荷也全部转移至电极2上(图2(a) Ⅲ); 随后陀螺在外界激励的作用下继续滚动离开电极2, 电极2上的正电荷会通过外部电路回流到电极1, 从而在外部电路中产生反向电流(图2(a) Ⅳ). 因此当陀螺在外部激励的作用下, 在叉指电极上滚动时, 会产生交流发电过程. 采用COMSOL 5.3 a对图2(a)Ⅲ状态下的表面电势分布进行了仿真, 仿真结果如图2(b)所示. 图 2 复合能量收集器的工作原理及其仿真 (a) 摩擦发电单元的工作原理; (b) 摩擦发电单元的仿真; (c)电磁发电单元的工作原理; (d) 电磁发电单元的其仿真 Figure2. The operating principle and simulation of the hybridized nanogenerator: (a) The operating principle of the TENG; (b) the simulation of the TENG; (c) the operating principle of the EMG; (d) the simulation of the EMG.
假设表面电荷密度为50 μC/m2, 由于本设计装置中陀螺的母线长度为0.04 m, 摩擦层FEP薄膜贴在陀螺侧表面, 因此可以设定摩擦长度l为0.04 m; 由于地面单个电极为半径为0.05 m, 圆心角度为60°的扇形, 因此可取扇形中位线的长度0.025 m为摩擦层的宽度ω, 陀螺从电极1滚动到电极2上的时间为0.0001 s, 外部负载电阻为100 MΩ, 通过Matlab仿真可得, 摩擦发电单元输出绝对值与陀螺滚动速度的关系曲线, 如图3所示. 由图3可知, 摩擦发电机的输出与陀螺的运动速度成正相关关系, 由于滚动相对滑动具有较低的摩擦系数, 因此本文提出的基于旋转滚动陀螺方案对外部激励具有更优的俘能灵敏度. 图 3 摩擦发电机的输出与陀螺滚动速度的关系 (a) 摩擦发电机的电流与陀螺滚动速度的关系; (b) 摩擦发电机的电压与陀螺滚动速度的关系 Figure3. The relation between the output performance of TENG and the rolling speed of gyro: (a) The relation between the output current of TENG and the rolling speed of gyro; (b) the relation between the output voltage of TENG and the rolling speed of gyro.
3.结果与分析在直线电机平台(型号为DGL200-AUM4)上对复合能量收集器的动态输出特性进行了评估, 系统研究了振荡频率和幅度对复合能量收集器输出的影响, 如图4所示. 为了降低系统的复杂性, 电磁发电机的四组线圈首先进行串联, 然后将串联后的输出连接到测试设备上进行测量. 首先采用静电计(型号为Keithley 6514)对电磁发电单元在不同频率下的开路电压与短路电流进行了表征, 如图4(a),(b)所示. 随着频率从0.5 Hz增大到3.0 Hz, 电磁发电机的开路电压从0.17 V增大到0.33 V, 短路电流从0.27 mA增大到0.52 mA. 电磁发电机在0.5—3.0 Hz的超低频率范围具有较好的俘能效率, 并且输出特性随着频率的增大而增大, 与理论分析吻合. 同样表征了摩擦发电机在不同激励频率下(0.5—3.0 Hz)的输出特性, 如图4(c),(d)所示. 摩擦发电机的开路电压和短路电流均随着频率的增大呈现出先增大后减小的趋势, 在2.5 Hz时达到最大值(90 V, 0.25 μA). 由前面理论分析可知摩擦发电机的输出与陀螺的运动速度及频率成正相关关系, 但是实际输出结果当频率大于2.5 Hz时表现出减小的趋势, 造成这种结果的主要原因是, 摩擦发电机在较高频率的外界激励下, 处于高速旋转, 在离心力的作用下出现反重力现象, 这时旋转陀螺不能与底部电极完全接触, 从而使得有效摩擦面积减小, 输出降低. 图 4 在线性马达不同激励频率下复合能量收集器的输出特性 (a) 1.5 Hz频率下电磁发电机的输出特性; (b) 不同频率下电磁发电机的输出特性; (c) 1.5 Hz频率下摩擦发电机的输出特性; (d) 不同频率下摩擦发电机的输出特性 Figure4. The output characteristics of the hybridized nanogenerator excited by a linear motor: (a) The output characteristics of the EMG in 1.5 Hz; (b) the output characteristics of the EMG in different frequencies; (c) the output characteristics of the TENG in 1.5 Hz; (d) the output characteristics of the TENG in different frequencies.
进一步通过调节线性马达的往复行程, 模拟了复合能量收集器在不同振动幅度下的输出, 如图5所示. 图5(a)为电磁发电机在马达不同往复行程下的输出, 图5(b)为摩擦发电机在马达不同往复行程下的输出. 由测试结果可知, 复合能量收集器的输出能量密度在马达往复行程为200 mm时, 明显高于其他行程下的输出能量密度. 这是由于在相同频率的外部激励下, 当行程为200 mm时, 器件进入二次谐振模式, 旋转速度明显增大, 因此俘能效率达到最高. 图 5 线性马达不同往复行程激励下复合能量收集器的输出特性 (a) 不同振动幅度下电磁发电机的输出特性; (b) 不同振动幅度下摩擦发电机的输出特性 Figure5. The output characteristics of the hybridized nanogenerator under the excitation of different reciprocating stroke of the linear motor: (a) The output characteristics of the EMG under different amplitude; (b) output characteristics of TENG at different amplitudes.
为了评估器件的输出性能, 分别测试摩擦发电机与电磁发电机在2 Hz振动激励下, 不同负载下的输出, 如图6所示. 图6(a)表明摩擦发电机在负载为20 MΩ时输出功率最大, 约为0.084 mW. 图6(b)表明电磁发电机在负载为800 Ω时, 输出功率最大, 约为4.61 mW. 同时, 对复合能量收集器的充电能力进行了测试, 如图6(c)所示. 首先分别对摩擦发电机和电磁发电机的输出进行整流, 整流后的输出并联接到不同容量的电容两端进行充电, 设定目标电压为3 V, 充电曲线如图6(c)所示. 实验证明复合能量收集器将10 μF电容充到3 V大概需要500 s的时间. 图 6 复合能量收集器的功率与能量 (a) 摩擦发电机在不同负载下的输出电压与输出功率; (b) 电磁发电机在不同负载下的输出电压与输出功率; (c) 复合能量收集器对不同电容的充电曲线; (d) 单次外部激励的机械能量; (e) 摩擦发电机在20 MΩ下的俘能曲线; (f) 电磁发电机在800 Ω下的俘能曲线 Figure6. The power and energy of the hybridized nanogenerator: (a) The voltage and power curves of TENG under different loads; (b) the voltage and power curves of EMG under different loads; (c) the charging curves of the hybridized nanogenerator for different capacitors; (d) the incentive energy of a single excitation; (e) the output energy of the TENG under 20 MΩ; (f) the output energy of the EMG under 800 Ω.
进一步将复合能量收集器置于人体不同部位, 对人体不同运动能量进行采集, 如图7所示. 图7(a)为电磁发电机在人体行走与跑步状态下的输出, 图7(b)为摩擦发电机在人体行走与跑步状态下的输出, 图7(c)为电磁发电机在人体行走与跑步状态下的输出, 图7(d)为摩擦发电机在人体行走与跑步状态下的输出. 可以看出复合能量收集器在人体行走与跑步状态下均具有卓越的输出人力, 同时跑步状态下的输出明显优于行走状态下的输出, 置于腿部的输出明显优于置于手臂的输出. 这是由于人体跑步状态下的振动较行走下的振动更加剧烈, 同一运动状态下, 腿部的振动较手臂的振动更加剧烈. 此实验充分验证了该复合能量收集器件对于低频复杂振动能量的俘获能力. 图 7 复合能量收集器对人体运动能的收集能力 (a) 置于腿部, 电磁发电机对人体能量收集的输出曲线; (b) 置于腿部, 摩擦发电机对人体能量收集的输出曲线; (c) 置于手臂, 电磁发电机对人体能量收集的输出曲线; (d) 置于手臂, 摩擦发电机对人体能量收集的输出曲线 Figure7. The ability of the hybridized nanogenerator to the kinetic energy of the human body: (a) The outputs of the EMG from human body when it is placed on the leg; (b) the outputs of the TENG from human body when it is placed on the leg; (c) the outputs of the EMG from human body when it is placed on the arm; (d) the outputs of the TENG from human body when it is placed on the arm.
为了验证复合能量收集器在自供电传感器中的应用, 搭建了一个自供电计步器模块, 如图8(a)所示. 摩擦发电机与电磁发电机的输出分别整流后, 并联到一个100 μF电容器的两端, 首先对电容器进行充电, 此时开关处于断开状态. 由于计步器模块的工作电压为3 V, 因此当电容器的充电电压略高与3 V时, 将开关闭合, 电容器存储的能量可为计步器提供直流电能. 图8(b)为100 μF电容器的充电曲线, 由图8(b)可知, 将复合能量收集器置于人体腿部, 跑步大约2000 s后, 可将电容电压充到3 V左右. 图8(c)为开关闭合后, 计步器工作实物图. 此实验验证该复合能量收集器在自供电传感领域的应用前景. 图 8 复合能量收集器在自供电传感器中的应用实验 (a) 自供电计步器模块图; (b) 复合能量收集器对100 μF电容的充电曲线; (c) 自供电计步器实物图 Figure8. The application of the hybridized nanogenerator in self-powered sensor: (a) The diagram of self-powered pedometer module; (b) the charging curves of the hybridized nanogenerator for a capacitor of 100 μF; (c) the photograph of self-powered pedometer module.