基于空氣放電開關摩擦納米發電機的電源管理電路

任有才

（張家口市農業廣播電視學校，河北 張家口 075000）

0 引言

隨著傳統化石能源對環境造成的污染[1-2]以及其枯竭的風險日益加劇，發展新型能源的開發和利用技術，就成為諸多科研院所爭相研究的熱點。2012年中科院“北京納米能源與系統研究所”王中林團隊發明的摩擦納米發電機（TENG）[3]，選材范圍廣、制作成本低，在低頻下工作效能高，能夠將環境中分布的機械能高效轉換為電能。尤其是在低能量密度機械能的收集利用上，存在著極其明顯的優勢。

TENG具有高電壓、低電流、高阻抗的輸出特性[4]，若直接給電子器件供電，匹配難度大的問題會嚴重影響TENG的實用價值。為了改變這種不利的現狀，2014年，Zhu等[5]選用高頻轉動TENG，通過與變壓器等器件形成的電源管理電路進行組合，能夠實現穩定的直流輸出，驅動一系列小功耗電子器件正常工作。2018年，Yang等[6]將靜電振動開關應用于旋轉式TENG，并與由變壓器等器件組合成的電源管理電路相結合，通過匹配開關的振動頻率和轉盤的轉動頻率，能夠使TENG的電學輸出達到最佳。由變壓器等器件組成的電源管理電路，具有降低電壓、提高電流和變換阻抗的功能，以此來解決TENG與電子器件之間的匹配問題，是一種極佳的選擇手段。然而，傳統的方法要求TENG有較高的輸出頻率，否則會造成變壓器工作效率低下，這與TENG在低頻下工作效能高的特性存在著矛盾，不利于推廣和應用。

2013年，Cheng等[7]報道了一種空氣放電開關摩擦納米發電機（TENG-ADS）。空氣放電開關被高電壓擊穿時，會產生頻率很高的火花放電，這樣就可以有效地提升TENG-ADS的輸出頻率。基于以上研究，本文將兩個非平行接觸分離式TENG聚合在一起，然后引入空氣放電開關，制備成一個空氣放電開關摩擦納米發電機（TENG-ADS）。再基于空氣放電開關放電時具有很高的頻率這一特性，設計出一種由變壓器和整流濾波器件組成的電源管理電路。并在實際工作中，對TENG-ADS與電源管理電路的組合效果進行了測試。

1 TENG-ADS的制備及工作原理

1.1 TENG-ADS

在TENG的研究中，為了有效降低內阻、確保能量最大輸出，在傳統的TENG系統中，引入了一些不同類型的開關，如機械觸發開關[8]、靜電振動開關[6]及空氣放電開關等。其中，引入了空氣放電開關的TENG被稱作TENG-ADS。

1.2 TENG-ADS的制備

由于TENG單個器件輸出功率有限，制備TENG-ADS時，可以選擇將兩個非平行接觸分離式TENG聚合在一起，然后再引入空氣放電開關。這樣制備成的TENG-ADS更加具有實用價值，TENGADS結構如圖1所示。

圖1 TENG-ADS結構示意圖

1.2.1 材料選擇

金屬電極選用價格相對低廉的鐵質材料，厚度上不做具體要求，但需要有一定的機械強度，面積為50 cm×40 cm，數量為三份。聚四氟乙烯（PTFE）選用厚度為0.5 mm，面積50 cm×40 cm的薄膜，數量為兩份。介質材料選用厚度為1 mm左右的塑料薄膜，單層、多層均可，面積為50 cm×40 cm，數量為兩份。空氣放電開關選用兩個螺絲釘，尖尖相對，固定在絕緣支架上調整好適宜的間距即可，如圖2（a）所示。其他材料：選擇長度為60 cm，寬度為10 cm的絕緣板一塊；長度為40 cm左右帶有內槽的支架兩個；打好孔的直角金屬料四個；合頁四個；螺絲釘若干。

1.2.2 制備過程

首先，按照50 cm的距離，用直角金屬料將帶有內槽的支架固定在絕緣板上，再將中間金屬電極、介質材料和PTFE依次插入支架的內槽。然后，在外面兩個金屬電極上各安裝兩個合頁，用螺絲釘固定在絕緣板上。并按照圖1所示，在輸出電路上連接好空氣放電開關和相應的負載即可。制備好的TENG-ADS如圖2（b）、（c）所示。

圖2 空氣放電開關及TENG-ADS實物圖

1.3 TENG-ADS工作原理

TENG-ADS工作原理如圖3所示。（a）表示當外面兩個金屬電極與PTFE薄膜相互靠近并接觸時，根據接觸起電原理，接觸表面會產生正負兩種不同性質的電荷。金屬電極上面的電荷為正電荷，PTFE上面的電荷為負電荷。（b）表示外面兩個金屬電極在外力作用下與PTFE之間由接觸狀態逐漸分離，隨著距離的不斷增加，空氣放電開關兩端電壓不斷上升，當電壓上升到將空氣放電開關的間隙擊穿時，外面兩個金屬電極上面的正電荷，通過電極放電流到了中間金屬電極上面。（c）表示隨著外面兩個金屬電極上面正電荷數量的不斷減少，空氣放電開關兩端電壓不斷下降，當電壓下降到無法擊穿空氣放電開關的間隙時，空氣放電開關便停止了放電。（d）表示外面兩個金屬電極在外力作用下逐漸靠近PTFE，隨著距離的不斷減小，空氣放電開關兩端的電壓不斷上升，但極性與上次相反。當電壓上升到再次將空氣放電開關的間隙擊穿時，中間金屬電極上面的正電荷，通過電極放電又流回到外面兩個金屬電極上面。一個工作流程結束后，TENG-ADS的狀態又回到了（a）。

圖3 TENG-ADS工作原理示意圖

眾所周知，在利用水能發電時首先需要在水流經過的地方建造一座蓄水大壩，用來提高水位、增加水的重力勢能，在TENG系統中引入一個空氣放電開關與此原理類似。空氣放電開關的引入導致輸出電路處于開路狀態，輸出電荷的勢能只有達到能夠將空氣放電開關的電極間隙擊穿時，才能通過氣體放電從一個金屬電極流到另一個金屬電極上面。這樣不僅能有效地提升輸出電荷的勢能，而且還可以通過能量的集中釋放，降低TENG的內阻，實現最大的能量輸出。

2 火花放電波形及頻譜分布

2.1 火花放電

在通常氣壓下，當在曲率不太大的冷電極間加上高電壓時，若電源供給的功率不太大就會出現火花放電。火花放電時碰撞電離并不是發生在電極間的整個區域，而只是沿著狹窄曲折的發光通道進行，并伴有爆裂聲。

2.2 火花放電波形

火花放電發生時，電極間的氣體由絕緣體瞬間變為導體，導致放電電流快速增加，而由于電源功率不夠電壓快速下降，放電暫時熄滅，待電壓恢復后再次放電，所以火花放電具有間歇性[9]。為了對火花放電頻率進行定量分析，選擇直徑為2 mm的銅電極，將間距調整為2 mm，制備成一個空氣放電開關。然后再給容量為30 nF的電容充上8 kV的電壓，在常壓空氣環境下，通過空氣放電開關放電，可以觀察到的火花放電波形如圖4（a）所示。由于電路中有自生電感的存在，放電回路的波形呈現出振蕩衰減欠阻尼形式[10]。從火花放電的波形中可以得出，火花放電的頻率非常之高，可以達到250 kHz以上。

2.3 火花放電頻譜分布

圖4（b）為火花放電曲線圖。對火花放電做傅立葉分析時，一般都會將這種振蕩的脈沖曲線當作比較窄的高斯波包，根據傅立葉變換的性質，高斯波包越窄其變化后的波包越寬，也就是說火花放電時間越短它的頻譜分布越廣。當然，這個廣是指一定強度以上的分布，如果不管強度只要有就算上的話，火花放電的頻譜可以是零到無限大。火花放電所包含的頻率雖然相當豐富，但是在各個頻段的強度并不是平均的，有的頻段要強一些，有的頻段要弱一些。

圖4 火花放電波形和曲線圖

3 電源管理電路的設計制作及工作原理

3.1 電源管理電路的設計

由于TENG高電壓、低電流、高阻抗的輸出特性，不適宜給大多數電子器件直接供電。考慮到TENG-ADS中的空氣放電開關被高電壓擊穿時會產生頻率很高的火花放電。基于這一特性，設計出了一種由變壓器和整流濾波器件組成的電源管理電路，如圖5所示。

3.2 電源管理電路的材料的制備

由于圖5的設計是建立在TENG-ADS的基礎上的，而TENG-ADS輸出電荷的勢能非常高，并且能量釋放又過于集中，普通變壓器很難滿足實用要求。制備時可以選擇4~5個輸入220 V輸出12 V的普通變壓器，然后將輸入端串聯，輸出端并聯，但需要注意的是連接時相位一定不能接反。整流二極管，選用集成整流橋堆或分離元件均可，功率要求不高，但耐壓至少要達到100 V。濾波電容C1可以選擇耐壓50 V容量10 mF的電解電容，選擇容量低的濾波電容，容易出現閃爍現象。

圖5 基于TENG-ADS的電源管理電路原理圖

3.3 電源管理電路的工作原理

TENG產生的高電壓將空氣放電開關擊穿時，會產生頻率很高的火花放電，這就為變壓器T提供了適宜的工作頻率。TENG輸出高電壓、低電流、高阻抗的電能，經過變壓器T的變換，再經過D1~D4組成的橋式整流器進行整流，和C1濾波電容進行濾波，就可以給負載LED燈泡提供穩定的直流電源。

4 TENG-ADS與電源管理電路組合效果測試

測試前，將制備好的TENG-ADS和電源管理電路組合在一起。并準備兩個不同規格的LED燈泡，分別為LED燈泡a和LED燈泡b，以及47型萬用表一塊。

測試時，先將LED燈泡a接入電源管理電路的輸出端，再用化纖布摩擦PTFE使其帶上靜電。然后在1 Hz~2 Hz的工作頻率下，用47型萬用表通過與LED燈泡a并聯和串聯，測出電源管理電路的輸出電壓和電流，結果如圖6（a）、（b）中紅線（虛線）所示。在0 s~40 s之間，由于LED燈泡a不能導通，輸出電壓呈線性上升狀態。工作到40 s時，LED燈泡a導通開始工作，輸出電壓和輸出電流逐步穩定在20 V和1.8 mA，之后基本上不再發生大的變化。此時，LED燈泡a發出光的亮度如圖6（c）所示。

再用相同方法測試LED燈泡b作為負載時，電源管理電路輸出的電壓和電流，結果如圖6（a）、（b）中藍線（實線）所示。在0 s~22 s之間，即LED燈泡b導通前，輸出電壓呈線性上升狀態。工作到22 s時，LED燈泡b導通開始工作，輸出電壓和電流逐步穩定在12.8 V和3 mA，之后不再發生大的變化。

圖6 TENG-ADS與電源管理電路組合測試結果

從測試的結果中可以得出，輸出電壓和電流的大小與負載功率有關。負載功率小，輸出電壓高、電流低；負載功率大，輸出電壓低、電流高。但是輸出總功率可以維持在180 mW/m2以上。

5 結束語

基于TENG-ADS的電源管理電 路，由變壓器和整流濾波器件組成。由于利用了空氣放電開關被高電壓擊穿時會產生頻率很高的火花放電這一特性，在1 Hz~2 Hz較低的工作頻率下，用兩個不同規格的LED燈泡作為負載，分批次測試TENG-ADS與電源管理電路的組合效果。結果顯示，輸出的直流電壓和直流電流分別為20 V、12.8 V和1.8 mA、3 mA，輸出直流功率可以達到180 mW/m2以上，并且性能非常穩定。由此可以得出以下結論：1）由于空氣放電開關放電時可以給變壓器提供適宜的工作頻率，所以基于TENG-ADS的電源管理電路，輸出性能基本上不受工作頻率的影響。2）由于變壓器具有降電壓、升電流和變換阻抗的功能，所以基于TENG-ADS的電源管理電路，可以很好地解決TENG因高電壓、低電流、高阻抗的輸出特性而與電子器件之間存在的匹配難度大的問題，從而進一步提升TENG的實用價值。