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驻极体薄膜自由微振发电器件

张灵  
【摘要】:微振发电技术是近年来世界各国研究的热点,因此研制一种在理论上可以长期使用的将外界环境振动能转换为电能的微振发电机,具有重要的理论意义和广泛的应用需求。 本论文分析了微振发电的现状及发展,主要研究驻极体薄膜微振发电器件在微振动环境下以自由振动形式发电的机理、发电器件的制备及性能。依据静电感应原理和薄膜驻极体储存电荷的性能,提出了基于驻极体的微振动式静电发电器件的研究方案。将驻极体薄膜与电极粘接,则电极上会有感生电荷产生;当在驻极体正上方放置充当另一电极的振片时,其上也会有感生电荷产生,则上下电极形成一电容器。在外界机械振动环境下,由于振片的自由振动改变电容器两极板间的距离,使电容器的电容发生变化,同时伴随着极板间电荷的转移,并向外电路输出电压。通过整流和滤波后,得到稳定的直流输出电压,从而达到向外界负载发电的目的。这样的发电器件要求:(1)持续的振动环境, (2)在一定范围内变化的振动频率, (3)质量均匀分布的振片。 该发电器件的输出电压受到驻极体表面电位、振片振动频率及幅度、以及负载的影响。对直径8.9mm、厚为12.5μm、无栅负极化的FEP驻极体薄膜(针尖离薄膜表面7mm),如果振动频率为20~100 Hz时,可得开路交流电压约407mV。为增大输出电压,我们设计将驻极体薄膜微振发电器件集成,为避免相位的影响,为每一个发电器件加上整流滤波单元。实验中我们分别选用两组、五组和十组器件串联,并测量输出电压,进行对比分析,最大输出为4658mV,约为单个器件的12倍。为得到较高的输出电流,我们采用五个发电器件串联为一组,再将两组至四组并联,在保证输出电压的同时得到了较大的电流输出,此装置为470μF的电解电容充电20分钟,电压达到2.0V,可使发光二极管(导通电压1.8V)瞬间发光。因此,大规模的集成可以实现并制成大功率的驻极体薄膜自由微振发电器件,实现将机械振动散失的能量重新利用起来,转化为电能。这样的发电方式对环境无任何污染,且结构简单、成本低廉,因此具有很高的研究价值和广泛的应用前景。


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