基于放电齿开关的自供电摩擦纳米发电机能量管理电路.pdf
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1、实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 10 期 2023 年 10 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.10 Oct.2023 收稿日期:2023-05-30 基金项目:2021 年广西高等教育本科教学改革工程重点项目(2021JGZ105);广西自然科学基金面上项目(2018JJA110048);广西大学 2022年“大创计划”自治区级创新训练项目(s200210593406)作者简介:陆翔(1973),男,广西扶绥,博士,正高级实验师,实验中心主任,现主要从事纳米发电机电源研究,。引文格式:陆翔,唐嘉玲,梁创健,等.
2、基于放电齿开关的自供电摩擦纳米发电机能量管理电路J.实验技术与管理,2023,40(10):56-62.Cite this article:LU X,TANG J L,LIANG C J,et al.Self-powered energy management circuit of triboelectric nanogenerators based on discharge teeth switchJ.Experimental Technology and Management,2023,40(10):56-62.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T
3、DOI:10.16791/ki.sjg.2023.10.009 基于放电齿开关的自供电摩擦纳米 发电机能量管理电路 陆 翔,唐嘉玲,梁创健,刘舒欣,阮璐英,陶云鹏(广西大学 物理科学与工程技术学院,广西 南宁 530004)摘 要:基于摩擦起电和静电感应耦合的摩擦纳米发电机(TENG)是一种清洁、可持续的能源技术,但由于其输出具有高电压、低电流特点,限制了其的广泛应用。为提高 TENG 对传统电子设备的供电效率,提出一个基于气体放电开关与变压器的自供电电源管理电路。该实验利用印刷电路板(PCB)技术制造的放电齿克服了手工制作火花开关的缺点,能够精准控制放电间距,具有更稳定、体积更小等优点,使电
4、源管理电路实现了高度集成化。实验结果表明,该电源管理电路具有优秀的输出性能,在 0.6 Hz 超低工作频率下,能在 60 s 内将 220 F 的电容充电至 9.21 V,即存储了 9.33 mJ 能量,是直接方式的 9.5 倍。最后,将 TENG 与此电源管理电路相结合实现了为小型电子设备的高效供电,促进了 TENG 的实际应用。关键词:TENG;电源管理电路;放电齿;火花开关;变压器 中图分类号:TM619 文献标识码:A 文章编号:1002-4956(2023)10-0056-07 Self-powered energy management circuit of triboelectr
5、ic nanogenerators based on discharge teeth switch LU Xiang,TANG Jialing,LIANG Chuangjian,LIU Shuxin,RUAN Luying,TAO Yunpeng(School of Physical Science and Technology,Guangxi University,Nanning 530004,China)Abstract:Triboelectric nanogenerators(TENG)are a sustainable and clean energy technology that
6、utilizes frictional electrification and electrostatic induction coupling.However,its output has the characteristics of high voltage and low current,which limits its wide application.In order to improve the power supply efficiency of TENG to traditional electronic equipment,a self-powered power manag
7、ement circuit based on gas discharge switch and transformer is proposed.In this experiment,the discharge teeth manufactured by printed circuit board(PCB)technology overcome the shortcomings of hand-made spark switches,and can accurately control the discharge spacing.It has the advantages of more sta
8、bility and smaller volume,and makes the power management circuit highly integrated.The experimental results show that the power management circuit has excellent output performance.Under the ultra-low operating frequency of 0.6 Hz,the 220 uF capacitor can be charged to 9.21 V within 60 s,that is,9.33
9、 mJ energy is stored,which is 9.5 times that of the direct way.Finally,the TENG is combined with the power management circuit to achieve efficient power supply for small electronic devices,which promotes the practical application of TENG.Key words:TENG;energy management circuit;discharge tooth;spark
10、 switch;transformer 随着全球电力需求的不断增长,能源消耗不断增加。自 2012 年王中林院士率先提出摩擦纳米发动机(TENG)概念以来1,一种全新的发电模式应运而生,实现了低频无序机械能向电能的转化,具有分布式、陆 翔,等:基于放电齿开关的自供电摩擦纳米发电机能量管理电路 57 可移动等优点。TENG 可以收集、利用周围环境中的能量,在环境保护和解决化学电池有限储能问题上具有突出优势。利用 TENG 将风能、水能、潮汐能等能源转换为电能2-3,具有低成本、环境友好、制作简单、重量轻等特点4。TENG 在为传统电子设备供电或直接为储能设备充电时通常表现出较低的能源供应效率。因
11、此,高效的自供电电源管理电路一直是 TENG 在自供电微系统中实际应用的技术瓶颈。而开关和转换器是电源管理电路的重要组成部分。开关是提取 TENG 能量的关键元件,包括电子开关5、静电振动开关6、空气放电开关7及热触发开关8等,通常是根据电源管理电路的设计需求进行适当选择。相比 MOSFETs 形式的电子开关9、可控硅开关10、二硫化钼(MoS2)光电探测器开关11等,不需要外部电源的开关更容易实现自供电。但一般的电子开关漏电流大、受环境影响大,且不耐高压,无法高效地提取 TENG 的能量。火花放电被证明是提取容性能量的关键4,传统火花开关为手工制作,存在出料不稳定、放电间距难以精确控制、体积
12、大等缺点,限制了火花放电开关的应用。将放电齿用作电火花开关能够克服以上缺点,同时具有耐高压、低频效率高等优点。转换器分为开关电容转化器、LC 转换器9和变压器三种类型。C.H.和 Z.L.W.提出了基于分形设计的开关电容转换器的电源管理电路,相比普通电容转换器具有最小输出阻抗、降压比高等优点,但存在拓扑结构复杂等不足12。采用设计简单的变压器作为转换器具有稳压率高、效率高等优点,并且商业化和标准化程度较高,已被大规模应用。本项目提出了基于放电齿的高集成自供电 TENG电源管理电路。与传统的火花开关相比,放电齿开关具有小型化、低成本、易于控制放电间隙等优点,在大规模应用中具有巨大优势。本文实验探
13、究了电路中放电齿间隙、输入电容 Cin和变压器匝数比等参数对电路输出性能的影响。结果表明,放电齿开关具有优异的输出性能,结合变压器后,电路能为温湿度计、计算器和红外传感器等小型电子设备正常供电。实验数据显示,该电源管理电路可以有效提高 TENG 的能量转换效率,且该电路在极低工作频率下仍具有高稳定性,能够满足更多电子器件的应用需求。1 电源管理电路硬件搭建 1.1 TENG 的制造及表征 TENG 采用两块 10 cm15 cm 尺寸亚克力板作为底板,左极板表面采用导电铜箔覆盖;右极板先覆盖一层海绵,使接触更充分,再在海绵上覆盖一层导电布,最后将 FEP 薄膜覆盖在导电布上,实际效果如图 1(
14、a)所示。实验利用直线电机控制 TENG 的工作频率及接触-分离距离,同时采用吉利时 6514 静电计测量 图 1 TENG 及其输出性能 58 实 验 技 术 与 管 理 TENG 的输出电荷和电流,Tektronix P6015A 高压探头和示波器 Tektronix MDO3022 测量 TENG 的输出电压。此外,TENG 在测试过程中保持空气湿度为 50%左右。图 1(b)(d)分别为 TENG 的短路电流、短路电荷和开路电压。本文制作的垂直接触-分离式 TENG 输出的脉冲电流可以达到 32 A,输出电压可达 1 500 V,输出电荷量达到 600 nC。1.2 整体电路设计与组成
15、 将放电齿作为传输能量的开关,将变压器作为TENG 的静电能量转换装置。整个 TENG 电源管理电路如图 2(a)和图 2(c)所示。TENG 的工作频率由线性电机控制,采用半波整流电路可以产生稳定高压,使放电齿稳定导通,实现开关效果。当放电齿导通后,变压器能够将 TENG 高电压转换为低电压、低电流转换为高电流,最后通过二极管 1N4007 对变压器次级的输出进行整流。并储存到输出电容 Cout中,以供给其他电子设备使用。1.2.1 电荷提取电路的设计 采用半波整流方法提取纳米摩擦发电机中产生的电荷。考虑到 TENG 每周期最大能输出 700 nC 的电荷量,若 Cin电容量过大将与 TEN
16、G 的输出电荷量不匹配,导致 Cin电压过低,无法使放电齿实现稳定导通,且对输出性能无益。因此,采用耐压值为 20 kV,电容值分别为 5 pF、10 pF、15 pF、20 pF 的小容量高压瓷片电容器作为 Cin。在高压的获取上,由于 TENG和整流桥之间的阻抗不匹配,全波整流13策略在转换过程中会损失大量能量。而半波整流14-15损失小,且具有能产生稳定高压等优点,故采用半波整流电路提取电荷。另外,半波整流电路中采用了耐压值为 20 kV的二极管,型号为 2CL77。1.2.2 基于气体放电的放电齿开关 放电齿是一种利用 PCB 技术印刷在电路板上的静电防护装置,它克服了手工制作火花开关
17、的缺点,还具有更易集成、成本更低的优势,在大规模应用中优势明显。手工制作好电火花开关并验证好性能后,将其以放电齿形式集成在 PCB 板上。运用控制变量法,对电火花开关两金属片的直径比和间隙对开关性能的影响进行对比实验,选择出性能较好的参数,以便设计放电齿。实验中,金属片用热熔胶固定在亚克力板上,并使用电子游标卡尺精确控制距离以寻找合适的放电间隙。电火花开关与放电齿如图 2(b)所示。放电齿的长度比例以及间距直接采用 EDA 软件进行精确设计。图 2 TENG 电源管理电路及放电齿 1.2.3 变压器的选择和设计 不同的磁芯和线圈匝数比都会影响变压器的转换性能。根据 TENG 最大循环输出能量得
18、出理论磁芯尺寸值,采用 EEL25 PC40 和 UU25 PC40 两种规格的磁芯。实验中,选择匝数比为 2 50040、2 50060、3 50020、3 500100 的降压变压器。为了防止趋肤效应对性能的影响,选择 0.1 mm 的初级线径和 0.4 mm的次级线径,具体参数如表 1 所示。表 1 变压器参数表 序号磁芯 规格 最大输出功率/W初级线 径/mm 初级线 圈/Ts 次级线径/mm次级线圈/Ts1EEL25 PC4030 0.1 2 500 0.4 40 2EEL25 PC4030 0.1 2 500 0.4 60 3UU25 PC4023 0.1 3 500 0.4 20
19、 4UU25 PC4023 0.1 3 500 0.4 100 陆 翔,等:基于放电齿开关的自供电摩擦纳米发电机能量管理电路 59 2 原理和方法 2.1 电路原理 由于 TENG 的输出具有随机的幅度和频率,再加上高电压、高阻抗和低电流的输出特性,限制了 TENG的广泛应用。因此需将 TENG 的容性能量有效地提取出来,实现能量最大化效果。由于 TENG 的输出能量E 与输出电压 V 成正比,提高输出电压是获得最大化能量输出的关键:21dVVEQ V=(1)式中:E 为输出电压,V;Q 为电荷量,C。采用半波整流电路可获得相对稳定的高电压和高能量输出15,输入电容 Cin可以储存 TENG
20、产生的多余电荷,其存储和释放电荷的过程决定了放电齿开关的导通和断开。同时,我们能够通过 PCB 技术精确控制放电齿的间距,在导通的瞬间将 TENG 的低频能量信号转化为高频脉冲输出,其基本原理是气体放电效应。电路的工作原理分为两部分:放电齿开关的导通和变压器用于静电转换。如图 3(a)所示,放电齿开关在电路中的工作原理是,当 TENG 的两极板足够近时,如图 3(a)-i 所示,电路中 TENG 先为自己充电;当两极板拉开一定距离时,如图 3(a)-ii 所示,TENG 的电荷储存到输入电容 Cin中,Cin的电压小于击穿电压,TENG 的电压(VTNEG)小于板间击穿电压(VAB),平行板相
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