相移调制实现宽带低波峰因数直流摩擦纳米发电机：可持续能源采集的重大突破

本文介绍了一种相移调制的宽带低波峰因数直流摩擦纳米发电机（PS-TENG）。它结合接触 - 分离和滑动模式，通过精确相移和恒定接触 - 分离时间 τ 实现稳定输出。优化后的 3G6U PS-TENG 性能优异，还能用于多种供电场景，推动了可持续能源采集技术发展。

　　

研究背景

随着环保理念普及，清洁能源在现代社会的重要性日益凸显。自然环境中存在着如风能、海洋能、水蒸发能等多种清洁能源。如何高效收集这些清洁能源成为亟待解决的问题。电磁发电机（EMGs）和摩擦纳米发电机（TENGs）是当前采集环境机械能的主流方法。EMG 在收集高密度、稳定机械能方面优势明显，而 TENG 在收集低频、微机械能上更胜一筹。

TENG 通过接触充电和静电感应的耦合，在解决分布式和可再生能源获取难题方面展现出巨大潜力。它结构灵活、操作简便，且能适应电磁环境，可用于收集各种形式的机械能。此前，许多研究人员探索了基于 TENG 的直流电产生方法，包括静电击穿、摩擦光伏效应模式、相移等。然而，大多数 TENG 输出为瞬时脉冲，波峰因数（CF，即最大瞬时信号与均方根的比值）较高，这会导致能量损失增加，给有效电容充电带来困难。此外，自然环境中机械能的频率和幅度不规则，使得 TENG 的能量输出不稳定，目前的 TENG 还受输入机械能频率的限制。因此，迫切需要一种效率更高、能适应复杂环境的发电机技术，以获取低频分布式能源。

PS-TENG 的结构与工作机制

研究提出了一种宽带、低 CF 的直流 PS-TENG。它主要由带有多个拨片的转子和包含单元的圆柱形定子组成。摩擦电对层分别附着在拨片和定子的突出平面上，如拨片上放置铜 - 聚四氟乙烯（PTFE），突出平面上放置铜 - 尼龙。随着转子旋转，转子摩擦电层在突出平面上周期性地接触和滑动。

PS-TENG 有滑动和接触 - 分离两种工作模式。滑动模式下，金属拨片携带的负摩擦电层与外壳突出部分携带的正摩擦电层进行水平滑动接触摩擦；接触 - 分离模式中，金属拨片携带负摩擦电层越过一个突出部分后，撞击外壳突出部分携带的正摩擦电层。由于圆柱形结构的特殊性，对于一个独立的发电单元，这两种发电过程交替进行。其中，滑动摩擦发电的时间会随着外部输入机械能频率的增加而缩短。当使用伺服电机模拟外部输入时，输出性能会随转速增加而增强。该接触模型可类比为方波，转移电荷和输出电流可量化，关键在于确定接触 - 分离时间。通过确保突出平面有一定倾斜角，能保证较短且恒定的接触时间 τ，使得这种接触 - 分离 TENG 在收集超低频（≤0.1Hz）机械能时，可实现高效稳定的输出电压。

为降低 CF 并提高效率，研究设计了相移结构。通过调节突出平面 U_i（i = 1, 2 … 6）与转子拨片 P_i之间的相对位置来实现相移。未相移时，六个摩擦电对（U₁-P₁，…，U₆-P₆）工作过程同步，输出六个重叠的同相电流，导致 CF 较大（1.92），能量收集效率降低。优化后的相移 PS-TENG 实现了六个摩擦电对的异步触发，显著减小了电流幅度范围和 CF。

由于 PS-TENG 结构分为定子和转子两部分，转子需保持旋转运动状态，无法将电极与输出线连接，因此单电极模式（SE-mode）最为合适。在这种模式下，唯一的电极接地，摩擦电表面的接触 - 分离或滑动在接地和电极之间建立电流。

通过整流电路和相移降低 CF

输出电流的幅度范围对直流 TENG 的供电效率至关重要，它与输出波形的 CF 相关。幅度范围 I_AR、均方根电流 I_rms和 CF 的计算公式分别为：
I_AR = I_max - I_min （公式 1）
I_rms = T∫0Ti2dt = m∑j=1mIj2 （公式 2）
CF = Irms∣Imax∣ （公式 3）
其中，I_max和 I_min是最大和最小电流，I_rms是输出电流的均方根，I_j是不同时刻的输出电流。

为降低 CF，研究首先探究了相移对直流 TENG 的影响。相移结构有效将 CF 从 1.92 降至 1.50，同时输出电流幅度范围从 27μA 降至 8μA。相移通过调节突出平面 U_i与转子拨片 P_i之间的初始相对角度差 θ_i实现，θ_i的计算公式为：
θ_i = N2360°?(i?1) （公式 4）
其中，N 是定子上突出部分的总数。

调节初始相对角度后，PS-TENG 实现了不同摩擦电对 U_i和 P_i的异步触发。相邻触发间隔具有相同的相位差 Δθ，即相邻拨片 - 突出对触发间隔内转子的旋转角度。因此，PS-TENG 的六个摩擦电对在一个旋转周期内均匀出现六个触发和输出峰值电流。基于异步触发，研究设计了三种整流电路来处理输出能量。与传统整流电路相比，多整流电路是指每个 TENG 单元分别连接一个整流器，然后并联到电路中形成多整流器。对比测试结果表明，多整流电路比单整流电路能实现更低的 CF。

交流 TENG 输出包含正负半轴两侧的电流，在 400rpm 时，峰值电流为 23μA，等效电流为 4μA，CF 为 5.75。单整流后，CF 降至 3.5，但峰值电流降至 7μA，这种整流方法是以消耗有效电能为代价来降低 CF 的。而多整流结构中，每个独立单元都配备整流器，从电路角度看，整流前连接各电极的电线互不接触，整流后同向电流汇聚输出，避免了不必要的功率损耗。在 400rpm 时，多整流结构的峰值电流可达 23μA，相比单整流结构，峰值电流增加了 3.28 倍，CF 从 3.21 降至 1.5。

优化 PS-TENG 的参数

研究进一步探索了结构和摩擦电材料参数，以优化 PS-TENG 的输出性能和 CF。随着突出倾斜角 α 的增大，拨片的累积弹性势能增加，拍打强度提高，接触时间 τ 缩短，输出电流显著增强。在 α = 45° 时，加厚拨片可增强其弹性系数，提高拍打冲击力和弹性势能，实验表明，PS-TENG 的输出电流随着拨片从 0.1mm 逐渐加厚到 0.25mm 而增加。

摩擦电对材料参数对 PS-TENG 的接触起电和静电感应耦合至关重要。设计用于特定应用的 TENG 时，需要考虑功率密度、稳定性、灵活性和可持续性等参数。基于先前研究结论，研究进一步优化了摩擦电对的材料类型和厚度，以提高 PS-TENG 的输出性能。实验表明，PTFE - 尼龙是最佳材料对，输出性能最高，优化后的 PTFE 厚度为 25μm 时，输出电流峰值最高，可达 39μA。

多组多单元 PS-TENG 的输出特性

研究还探索了多组多单元结构对 PS-TENG 输出性能的影响。一组 PS-TENG 的单元数量决定了拨片 - 突出触发间隔 Δθ，也决定了输出电流峰值和旋转周期内的累积电量。因此，在不同转速下，单组 PS-TENG 的输出电流和电压随着单元数量从 1G3U 增加到 1G6U 而明显增强，CF 也随之降低。

但不能无限增加一组 PS-TENG 的单元数量来降低 CF，因此研究设计了多组结构。多组具有相同机械结构的 PS-TENG 并联排列，触发间隔角 Δθ_M的计算公式为：
Δθ_M = pΔθ （公式 5）
其中，p 是 PS-TENG 的组数。

增加 PS-TENG 的组数可显著减小触发间隔角 Δθ_M，进一步累积旋转周期内的总电量。实验表明，在不同转速下，当组数从 1G6U 增加到 3G6U 时，PS-TENG 的输出电流和电压明显提高，CF 降低。研究还发现，触发间隔角与 CF 呈正相关。优化后的 PS-TENG 与先前报道的研究相比，实现了优异的 CF（CF = 1.04）。

TENG 的应用演示

河流流速受地理位置、季节、天气等因素影响，不同河流流速不同。基于设计的能量收集摆臂（r = 300mm），计算得出在不损失外部机械能收集频率的情况下，最大转子转速为 340rpm，在测试转速（100 - 400rpm）范围内。

实验展示了 TENG 在不同负载下的输出和计算功率，结果表明，在 400rpm 时，TENG 可实现最大输出功率 4.89mW。TENG 能在 300s 内将 1000μF 的电容器充电至 5V。研究搭建了应用实验平台，用伺服电机模拟外部机械能驱动转子旋转，实验展示了 PS-TENG 为商业温湿度计供电、为智能手机充电、为 5W 商业灯泡持续供电以及用于水能收集等应用场景。实验结果表明，在低频范围内，PS-TENG 仍能实现高性能输出。

讨论

本文通过将相移调制的直流 TENG 相结合，实现了低频能量的高效收集，使从自然界收集广谱机械能的策略更具可行性。研究选择了最佳的正负材料 PTFE 和聚酰胺（PA）。在 400rpm 的转速下，直流 TENG 性能出色，在最佳负载条件下，最大开路电压达到 1050V，最大短路电流为 42μA，最大输出功率为 4.89mW，同时保持极低的 CF（1.04）。实验展示了 PS-TENG 的多种实际应用，凸显了其在收集分布式和广谱能量方面的巨大潜力，推动了直流 TENG 技术的实际应用。

方法

1. 定子的制备：使用 AutoCAD 软件设计定子横截面和定子侧盖的参数，包括定子内壁 TENG 单元的数量、突出角度的度数以及盖子上用于放置连接转子的滚珠轴承的孔的直径（7cm）。用激光切割机将 3mm 厚的亚克力板切割成 20×20cm 的方形矩形，并切割出设计形状。根据内壁单元数量不同，相邻单元间距各异。将 34 块切割好的亚克力板紧密粘合形成圆柱形定子，在圆柱定子内侧贴上一层纸板，确保材料粘贴到内壁时紧密光滑。将正电材料（PA66 25/50mm）切割成与单个电极相同的尺寸，将电极和正电材料依次放置在突出侧，用导线引出附着在正电材料背面的电极。
2. 转子的制备：使用 3Dmax 软件设计对应不同单元数量的转子夹具，利用三维（3D）打印技术将树脂制成所需形状。将夹具插入特制刚性轴，在夹具端点牢固固定金属拨片。金属弹簧片由 1×5cm 的弯曲段和 5×6cm 的粘合段组成。在不同厚度（0.1, 0.15, 0.2, 0.25mm）的淬火金属板上用雕刻刀描绘形状，再用不锈钢剪刀剪裁。将负电材料（厚度为 25, 50, 100, 200, 300mm 的 PTFE；厚度为 50mm 的 Kapton；厚度为 50mm 的氟化乙烯丙烯（FEP））切割成与材料粘合段相同的形状。随后依次粘贴电极和负电材料，用导线引出附着在负电材料背面的电极。将装有弹簧片的轴插入定子腔体，定子侧盖上的滚珠轴承支撑轴以固定其位置。

资源可用性

1. 主要联系人：如需进一步信息或资源请求，可联系主要联系人刘超然（[e-mail]）。
2. 材料可用性：所有材料可应作者要求提供。
3. 数据和代码可用性：本文报告的所有数据可应主要联系人要求共享；本文未报告原始代码；重新分析本文数据所需的任何其他信息可应主要联系人要求提供。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（编号：2022YFB3204800）、国家自然科学基金（编号：92373202）和浙江省高校基本科研业务费（编号：GK249909299001 - 003）的资助。

作者贡献

刘超然（C.L.）和 X.T. 进行实验并分析数据；Z.W. 和刘超然制作 PS-TENG 并完成表征；A.O.、H.Z.、Z.H.W.、W.L.、D.Y.、B.M.、W.Y. 和 B.L. 为 PS-TENG 系统提供了宝贵建议；刘超然、H.L.、L.D. 和 G.W. 提出研究思路、设计实验并分析数据。

利益声明

作者声明无利益冲突。

补充信息

文章提供了补充信息文档，包括 Figures S1 - S6、Tables S1 和 S2、Notes S1 和 S2 等内容，以及包含文章和补充信息的文档。