基于摩擦生电原理拉哨状供能装置的构造与应用研究

冯路桥

随着智能时代的到来，无线可移动便携式或可穿戴设备越来越多地走进人们的日常生活，然而，以何种持续环保的方式给这些电子设备供电，向人们提出了新的问题。中学物理课上讲过摩擦生电原理，是否可利用这个原理，设计一种可持续、便携、自驱动供能装置，为生活中的一些小型设备，如智能穿戴、健康监测仪器等供能，引起了我的兴趣。受到高速旋转的拉哨玩具（图1）的启发，我设计了一种基于摩擦生电原理的具有高输出功率的拉哨状摩擦纳米发电装置（Whirligiginspired Triboelectric NanogeneratingDevice，Wi-TENG）。它可將低频拉动转换成高频转动，其摩擦产生的电能可迅速将1个100 uF商业电容在10s内充电至14V。这种拉哨状摩擦发电供能装置能成功地驱动智能穿戴、健康监测仪器等设备，展示了作为便携式能量转换装置的巨大潜力。

设计思路

我参考拉哨的运动结构，将拉哨的运动圆盘改成了发电装置的独立层，作为发电机的驱动部分。绳子能够高度螺旋化缠绕，每解1次旋，转子就会转1圈，短时间内，如果绳子能够快速解旋，那么转子的转速能够达到一个较大值。

由于绳子要能够在短时间内快速解旋，所以转子的重量要足够轻薄，于是我选择了密度较小、刚度较大的丙烯酸塑料（也称有机玻璃）作为转子的基底。同样，基底的厚度越轻薄越好，综合市面上能购买到的产品的重量和平整度，我确定转子的基底厚度为2mm。而定子的基底虽然不影响电荷输出的大小，但是出于重量等因素考虑，同样选择2mm的厚度。根据电负性的结果，摩擦层的材料我选择了电负性很强的介电材料纳米聚四氟乙烯（PTFE）。Wi-TENG将低频拉动运动转换成转子的高频旋转，从而获得大的机械运动能。Wi-TENG的电极设计成放射状，是为了增大每转1圈累计转移的电荷量，比如1圈分成24个扇形小块，每转30°（2个小扇形）就会完成1次电荷转换。

材料与方法

选用柔韧性好、高强度和耐磨的棉

聚酯缝纫线（成分为65%的涤纶短纤维和35%的棉纤维）作为缠绕绳，选取厚度为2mm丙烯酸板作为基体。用激光切割机对丙烯酸板进行切割和雕刻后，用物理气相沉积法将厚度为40μm导电铜层覆盖在制备的丙烯酸基体表面上。将铜层分为2组，共24个扇形电极，不同组的电极交替排列。然后，厚度为80μm的12个扇形纳米聚四氟乙烯薄膜，用厚度100mm的聚酰亚胺胶带固定在直径为70mm丙烯酸圆板上。最后，所制备的零件通过螺钉、弹簧和轴承组装成发电装置。

本装置基本能量转换元件有3部分，包括1个独立转子和2个同轴定子。转子在1个丙烯酸圆盘每面覆盖上12个扇形聚四氟乙烯薄膜。为了增强Wi-TENG的电荷输出性能，用表面电感耦合等离子体反应离子刻蚀的方法对聚四氟乙烯薄膜进行处理，得到表面粗糙的结构。定子是由一系列径向排列的铜箔组成的电极部分。为确保绝缘子部分与电极部分重合，采用激光切割机对聚四氟乙烯薄膜和铜箔的丙烯酸基底进行精确切割和雕刻。

图2显示了拉哨状便携式供能装置结构，图3是该装置的轮廓及旋转摩擦原理。由于绳子柔韧性很强，可以很容易地沿着转子旋转的方向紧密地螺旋缠绕。当绳在短时间内解旋时，转子可以高速旋转，从而达到感应电荷迅速在2个电极间来回转移的目的。图4为制作完成后的电极和转子，图5展示了制作好的装置实物。

实验验证

对制作好的拉哨状便携式供能装置的电学性能进行探究，我们首先通过控制单一变量法，探究了转子转速和转子定子间距对该便携式供能装置电学性能的影响，随后结合理论分析，通过对器件参数的调整，得到了最适宜的器件规格。

经过系统测量，实验研究证明了在施加50N外力的情况下，转子可达到的最高转速约为每分钟1.1万转。在这种超高速转速下，Wi-TENG的短路电流的峰值为317μA，开路电压峰值为153V。在外接电阻阻值为1.2MQ的情况下，拉哨状摩擦纳米发电机可以提供40.18mW的峰值输出功率。拉动时它可以点亮近百个商业发光二极管，在10s内能够将1个商业电容器（100 μF）充电到14V。通过电源管理电路，WiTENG成功为家用血糖计完成一次血糖浓度测试供能。此外，本研究也证明了这个便携式Wi TENG每拉动1个周期（约2s）能供温度和湿度传感器工作约47s。

通过对测试数据的分析，发现累计电荷转移量在每1次拉动循环中为310μC，每秒输出能量高达9.9mJ/s。与现有报道的机械能转化为电能的装置相比较，本装置的输出电荷密度高达9.02μC/cm2，远高于其他研究结果，如光纤伸缩法1.182μC/cm2、电容器法0.27μC/cm2和可伸缩硅胶法1.8μC/cm2。

创新点

新体系：受传统拉哨玩具启发，基于摩擦生电原理，构造了一个重量轻、便携带、拉哨状的供能装置。

新效果：该拉哨状便携式供能装置的转子速率最高可达每分钟11000转，能获得超高的输出能量。在可视化演示中，能将96颗LED灯照亮，显示了在高速旋转摩擦时，有大量电荷产生和转移，并能持续供电。

新应用：用拉哨状便携式供能装置驱动健康监测等装置，如血糖计、温度和湿度计，能得到有效的血糖浓度、温度和湿度监测数据。即通过电源管理后，获得了自供能健康检测系统的供能端。

小结

利用摩擦生电的原理，构造的拉哨状摩擦发电装置，具有体积小、重量轻、性能优异的特点，它能将低频的拉伸运动转换成转子的高频旋转摩擦运动，提高了能量的利用率，在智能穿戴、健康监测仪器和应急电源设备等领域有广阔的发展前景。

专家评语

该项目基于生活中的摩擦发电现象，并受拉哨玩具可将低频的拉伸运动转换成转子的高频旋转摩擦运动的启发，设计和制作了将机械能转变为电能的拉哨状摩擦供电装置，结构新颖.制作环保.供电性能好、成本低.易实现.轻便。建议可进一步优化装置结构或采用新材料，获得更高的供电性能。