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低频线性旋转纳米发电机的设计

纳米发电机

摩擦纳米发电机(简称TENG),可以有效地将各种机械能转换成电能。对于TENG来说,有很多好处,比如输出功率大,成本低,生产简单,成本高转换效率。王中林团队已经发展起来各种TENG,主要是基于它们之间的耦合摩擦电效应和静电感应,设计了一些优秀的TENG。合适的材料和优化结构是两个关键因素,可以同时影响两者柔性的输出性能和机械稳定性能的,基于此,本人主导设计一款低频线性旋转纳米发电机

垂直接触分离模式是最基本的TENG工作模式,这是基于周期性切换的在两种摩擦电材料的接触和分离之间。在这种模式下,含有电介质导体与介质类型不同的材料。

纳米发电机,是在纳米范围内将机械能转化成电能,是世界上最小的发电机。目前纳米发电机可以分为3类:

  • 一类是压电纳米发电机,压电纳米发电机是利用特殊纳米材料的压电性能与半导体性能,把弯曲和压缩的机械能转变为电能的微型发电机。
  • 第二类是摩擦纳米发电机,摩擦发电机利用了两种对电子舒服能力不同的材料,相互接触时得失电子而在外电路产生电流的微型电机。目前主要有四种模式,垂直接触分离,平面滑动式,单电极式,独立层式。
  • 第三类为热释电纳米发电机。

TENG 设计原理图

该款发电机,本人于2017年开始设计,之后获得发明专利,并参与论文发表工作。

整体草图

渲染图

透视图

零件分解图纸

TENG 使用说明

Figure S1. The fabrication procedures of an LRH-NG. (a) The stator with four coils
evenly distributed in the inner PMMA tube. (b) The rotator disc with four pillars. (c)
The outer tube with Al triboelectric electrode. (d, e) The photographs of the asfabricated LRH-NG.

Figure S2. “D” and “L” respectively are (a) the radius of the disc and (b) the period
length of the threaded rod

Figure S3. The COMSOL simulation showing the processing of electricity generation
of the electromagnetic nanogenerator in 1/4 cycle. At the initial stage Ⅰ, the magnets are
in alignment with coils and the magnetic flux through coils is maximized, without
current passing in the coils. With further spinning of the rotator, the flux crossing the
coils keeps decreasing but the rate of flux change gets increasing, leading to induced
positive current in the coils corresponding to the stage Ⅱ. Following that the magnetic
flux through the coils increases continuously when the rotator moves to stage Ⅲ.
Decrease of the flux will induce a negatively inductive current in the coils. The above
four stages represent a 1/4 cycle of the electromagnetic-effect-based electricity
generation process.

Figure S4. (a) Experiment setup to measure the output performance of the LRH-NG
and (b) a photograph of the threaded rods with three different period lengths (scale bar:
2cm).

Figure S5. The small body area network is consisted of a wireless temperature sensor
and a humidity sensor with functional integration for the real-time monitoring of
temperature and humidity around human body.

专利/文献参考

1.发明专利查询,授权号【CN108768202B】,专利名称【纳米发电机以及纳米发电机系统】
2.论文【[A linear-to-rotary hybrid nanogenerator for high-performance wearable biomechanical energy harvesting](A linear-to-rotary hybrid nanogenerator for high-performance wearable biomechanical energy harvesting - ScienceDirect)】

http://www.jsqmd.com/news/1335086/

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