基于COMSOL环形独立层式摩擦发电机的仿真探究*

周 晖，王优强，王秀通，吴 沿

（1.青岛理工大学 机械与汽车工程学院，山东 青岛 266520；2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东 青岛 266520）

人类活动的各个方面都离不开能源，主流的化石燃料日益枯竭，人类对其他形式能源的开发力度加大[1]。环境中的机械能是以往被忽略却分布最为广泛的能量，2012年，王中林团队制作出摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator TENG）[2]。其基于摩擦起电和静电感应原理[3]，能够将各类机械能转化为电能，以轻便、成本低、制作简单而广受欢迎。相比电磁式发电装置，TENG在低频和随机能量捕获上表现出了巨大优势[3-10]，逐渐成为国内外研究的热点。

2012年以来，各类TENG被开发出来，可分为：垂直分离式、水平滑动式、单电极式、独立层式等，大多形式已有较为丰富的理论成果。独立层式因其极高的非线性特点，一直没有较好的理论模型[11-17]。本文用COMSOL软件，对环形独立层式摩擦纳米发电机运行过程中的电位分布、开路电压、等效电容进行分析，研究了结构尺寸、相对位置等因素对输出性能的影响。简单地探索了单元轴向阵列对单元性能的影响。

1 环形摩擦纳米发电机结构

环形摩擦纳米发电机的结构如图1所示，由外侧两个环形薄铜片和内侧的PTFE环形薄片组成，两个铜环之间的间隔避免短路。工作时PTFE环沿轴向往复运动，与铜环摩擦接触，摩擦起电效应使PTFE表面带有一定数量的负电荷，铜片（以下称为电极）表面带有相应数量的正电荷。PTFE片（以下称为独立层）沿轴向往复过程中引起空间电位变化，使两个电极间形成电位差，对外输出电流。……