基于空气放电开关摩擦纳米发电机的电源管理电路
时间：2023-06-03 22:15:08 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
任有才
（张家口市农业广播电视学校，河北 张家口 075000）
随着传统化石能源对环境造成的污染[1-2]以及其枯竭的风险日益加剧，发展新型能源的开发和利用技术，就成为诸多科研院所争相研究的热点。2012年中科院“北京纳米能源与系统研究所”王中林团队发明的摩擦纳米发电机（TENG）[3]，选材范围广、制作成本低，在低频下工作效能高，能够将环境中分布的机械能高效转换为电能。尤其是在低能量密度机械能的收集利用上，存在着极其明显的优势。
TENG具有高电压、低电流、高阻抗的输出特性[4]，若直接给电子器件供电，匹配难度大的问题会严重影响TENG的实用价值。为了改变这种不利的现状，2014年，Zhu等[5]选用高频转动TENG，通过与变压器等器件形成的电源管理电路进行组合，能够实现稳定的直流输出，驱动一系列小功耗电子器件正常工作。2018年，Yang等[6]将静电振动开关应用于旋转式TENG，并与由变压器等器件组合成的电源管理电路相结合，通过匹配开关的振动频率和转盘的转动频率，能够使TENG的电学输出达到最佳。由变压器等器件组成的电源管理电路，具有降低电压、提高电流和变换阻抗的功能，以此来解决TENG与电子器件之间的匹配问题，是一种极佳的选择手段。然而，传统的方法要求TENG有较高的输出频率，否则会造成变压器工作效率低下，这与TENG在低频下工作效能高的特性存在着矛盾，不利于推广和应用。
2013年，Cheng等[7]报道了一种空气放电开关摩擦纳米发电机（TENG-ADS）。空气放电开关被高电压击穿时，会产生频率很高的火花放电，这样就可以有效地提升TENG-ADS的输出频率。基于以上研究，本文将两个非平行接触分离式TENG聚合在一起，然后引入空气放电开关，制备成一个空气放电开关摩擦纳米发电机（TENG-ADS）。再基于空气放电开关放电时具有很高的频率这一特性，设计出一种由变压器和整流滤波器件组成的电源管理电路。并在实际工作中，对TENG-ADS与电源管理电路的组合效果进行了测试。
1.1 TENG-ADS
在TENG的研究中，为了有效降低内阻、确保能量最大输出，在传统的TENG系统中，引入了一些不同类型的开关，如机械触发开关[8]、静电振动开关[6]及空气放电开关等。其中，引入了空气放电开关的TENG被称作TENG-ADS。
1.2 TENG-ADS的制备
由于TENG单个器件输出功率有限，制备TENG-ADS时，可以选择将两个非平行接触分离式TENG聚合在一起，然后再引入空气放电开关。这样制备成的TENG-ADS更加具有实用价值，TENGADS结构如图1所示。
图1 TENG-ADS结构示意图
1.2.1 材料选择
金属电极选用价格相对低廉的铁质材料，厚度上不做具体要求，但需要有一定的机械强度，面积为50 cm×40 cm，数量为三份。聚四氟乙烯（PTFE）选用厚度为0.5 mm，面积50 cm×40 cm的薄膜，数量为两份。介质材料选用厚度为1 mm左右的塑料薄膜，单层、多层均可，面积为50 cm×40 cm，数量为两份。空气放电开关选用两个螺丝钉，尖尖相对，固定在绝缘支架上调整好适宜的间距即可，如图2（a）所示。其他材料：选择长度为60 cm，宽度为10 cm的绝缘板一块；
长度为40 cm左右带有内槽的支架两个；
打好孔的直角金属料四个；
合页四个；
螺丝钉若干。
1.2.2 制备过程
首先，按照50 cm的距离，用直角金属料将带有内槽的支架固定在绝缘板上，再将中间金属电极、介质材料和PTFE依次插入支架的内槽。然后，在外面两个金属电极上各安装两个合页，用螺丝钉固定在绝缘板上。并按照图1所示，在输出电路上连接好空气放电开关和相应的负载即可。制备好的TENG-ADS如图2（b）、（c）所示。
图2 空气放电开关及TENG-ADS实物图
1.3 TENG-ADS工作原理
TENG-ADS工作原理如图3所示。（a）表示当外面两个金属电极与PTFE薄膜相互靠近并接触时，根据接触起电原理，接触表面会产生正负两种不同性质的电荷。金属电极上面的电荷为正电荷，PTFE上面的电荷为负电荷。（b）表示外面两个金属电极在外力作用下与PTFE之间由接触状态逐渐分离，随着距离的不断增加，空气放电开关两端电压不断上升，当电压上升到将空气放电开关的间隙击穿时，外面两个金属电极上面的正电荷，通过电极放电流到了中间金属电极上面。（c）表示随着外面两个金属电极上面正电荷数量的不断减少，空气放电开关两端电压不断下降，当电压下降到无法击穿空气放电开关的间隙时，空气放电开关便停止了放电。（d）表示外面两个金属电极在外力作用下逐渐靠近PTFE，随着距离的不断减小，空气放电开关两端的电压不断上升，但极性与上次相反。当电压上升到再次将空气放电开关的间隙击穿时，中间金属电极上面的正电荷，通过电极放电又流回到外面两个金属电极上面。一个工作流程结束后，TENG-ADS的状态又回到了（a）。
图3 TENG-ADS工作原理示意图
众所周知，在利用水能发电时首先需要在水流经过的地方建造一座蓄水大坝，用来提高水位、增加水的重力势能，在TENG系统中引入一个空气放电开关与此原理类似。空气放电开关的引入导致输出电路处于开路状态，输出电荷的势能只有达到能够将空气放电开关的电极间隙击穿时，才能通过气体放电从一个金属电极流到另一个金属电极上面。这样不仅能有效地提升输出电荷的势能，而且还可以通过能量的集中释放，降低TENG的内阻，实现最大的能量输出。
2.1 火花放电
在通常气压下，当在曲率不太大的冷电极间加上高电压时，若电源供给的功率不太大就会出现火花放电。火花放电时碰撞电离并不是发生在电极间的整个区域，而只是沿着狭窄曲折的发光通道进行，并伴有爆裂声。
2.2 火花放电波形
火花放电发生时，电极间的气体由绝缘体瞬间变为导体，导致放电电流快速增加，而由于电源功率不够电压快速下降，放电暂时熄灭，待电压恢复后再次放电，所以火花放电具有间歇性[9]。为了对火花放电频率进行定量分析，选择直径为2 mm的铜电极，将间距调整为2 mm，制备成一个空气放电开关。然后再给容量为30 nF的电容充上8 kV的电压，在常压空气环境下，通过空气放电开关放电，可以观察到的火花放电波形如图4（a）所示。由于电路中有自生电感的存在，放电回路的波形呈现出振荡衰减欠阻尼形式[10]。从火花放电的波形中可以得出，火花放电的频率非常之高，可以达到250 kHz以上。
2.3 火花放电频谱分布
图4（b）为火花放电曲线图。对火花放电做傅立叶分析时，一般都会将这种振荡的脉冲曲线当作比较窄的高斯波包，根据傅立叶变换的性质，高斯波包越窄其变化后的波包越宽，也就是说火花放电时间越短它的频谱分布越广。当然，这个广是指一定强度以上的分布，如果不管强度只要有就算上的话，火花放电的频谱可以是零到无限大。火花放电所包含的频率虽然相当丰富，但是在各个频段的强度并不是平均的，有的频段要强一些，有的频段要弱一些。
图4 火花放电波形和曲线图
3.1 电源管理电路的设计
由于TENG高电压、低电流、高阻抗的输出特性，不适宜给大多数电子器件直接供电。考虑到TENG-ADS中的空气放电开关被高电压击穿时会产生频率很高的火花放电。基于这一特性，设计出了一种由变压器和整流滤波器件组成的电源管理电路，如图5所示。
3.2 电源管理电路的材料的制备
由于图5的设计是建立在TENG-ADS的基础上的，而TENG-ADS输出电荷的势能非常高，并且能量释放又过于集中，普通变压器很难满足实用要求。制备时可以选择4~5个输入220 V输出12 V的普通变压器，然后将输入端串联，输出端并联，但需要注意的是连接时相位一定不能接反。整流二极管，选用集成整流桥堆或分离元件均可，功率要求不高，但耐压至少要达到100 V。滤波电容C1可以选择耐压50 V容量10 mF的电解电容，选择容量低的滤波电容，容易出现闪烁现象。
图5 基于TENG-ADS的电源管理电路原理图
3.3 电源管理电路的工作原理
TENG产生的高电压将空气放电开关击穿时，会产生频率很高的火花放电，这就为变压器T提供了适宜的工作频率。TENG输出高电压、低电流、高阻抗的电能，经过变压器T的变换，再经过D1~D4组成的桥式整流器进行整流，和C1滤波电容进行滤波，就可以给负载LED灯泡提供稳定的直流电源。
测试前，将制备好的TENG-ADS和电源管理电路组合在一起。并准备两个不同规格的LED灯泡，分别为LED灯泡a和LED灯泡b，以及47型万用表一块。
测试时，先将LED灯泡a接入电源管理电路的输出端，再用化纤布摩擦PTFE使其带上静电。然后在1 Hz~2 Hz的工作频率下，用47型万用表通过与LED灯泡a并联和串联，测出电源管理电路的输出电压和电流，结果如图6（a）、（b）中红线（虚线）所示。在0 s~40 s之间，由于LED灯泡a不能导通，输出电压呈线性上升状态。工作到40 s时，LED灯泡a导通开始工作，输出电压和输出电流逐步稳定在20 V和1.8 mA，之后基本上不再发生大的变化。此时，LED灯泡a发出光的亮度如图6（c）所示。
再用相同方法测试LED灯泡b作为负载时，电源管理电路输出的电压和电流，结果如图6（a）、（b）中蓝线（实线）所示。在0 s~22 s之间，即LED灯泡b导通前，输出电压呈线性上升状态。工作到22 s时，LED灯泡b导通开始工作，输出电压和电流逐步稳定在12.8 V和3 mA，之后不再发生大的变化。
图6 TENG-ADS与电源管理电路组合测试结果
从测试的结果中可以得出，输出电压和电流的大小与负载功率有关。负载功率小，输出电压高、电流低；
负载功率大，输出电压低、电流高。但是输出总功率可以维持在180 mW/m2以上。
基于TENG-ADS的电源管理电 路，由变压器和整流滤波器件组成。由于利用了空气放电开关被高电压击穿时会产生频率很高的火花放电这一特性，在1 Hz~2 Hz较低的工作频率下，用两个不同规格的LED灯泡作为负载，分批次测试TENG-ADS与电源管理电路的组合效果。结果显示，输出的直流电压和直流电流分别为20 V、12.8 V和1.8 mA、3 mA，输出直流功率可以达到180 mW/m2以上，并且性能非常稳定。由此可以得出以下结论：1）由于空气放电开关放电时可以给变压器提供适宜的工作频率，所以基于TENG-ADS的电源管理电路，输出性能基本上不受工作频率的影响。2）由于变压器具有降电压、升电流和变换阻抗的功能，所以基于TENG-ADS的电源管理电路，可以很好地解决TENG因高电压、低电流、高阻抗的输出特性而与电子器件之间存在的匹配难度大的问题，从而进一步提升TENG的实用价值。
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