李博：气体放电管显著提高TENG的瞬时输出电流与负载有用功率【NE，2023】

发布时间：2023-03-13       阅读：164次

随着全球能源消费的快速增长，能源短缺越来越成为一个不容忽视的社会问题。面对这种形势，新能源的推广应用和能源利用效率的提高已成为亟待解决的重要任务。此外，传感器的广泛应用对分布式能源提出了迫切需求。2012年，摩擦电纳米发电机（TENG）被发明，用于收集机械能并将其转化为电能，它具有重量轻、成本低和低频能量收集效率高的优点，被认为是一种未来为分布式传感器持续供电的能源解决方案。然而，目前市场上低功率传感器的平均功率在毫瓦（mW）水平，而TENG的输出功率一般在微瓦（μW）水平，无法驱动用电器件。为了促进TENG的实际应用，人们利用带有机械开关或火花放电开关的电路，最大限度地提高瞬态输出功率。但是，大部分放电开关都是手工制作的，性能受环境影响较大。对于大规模应用，存在放电不稳定、标准化程度低、重复利用性差、严重依赖特种制备技术等问题。

针对以上问题，我校工程技术学院硕士研究生李博在导师杨义勇教授指导下，联合外校季林红教授和程嘉副研究员等人，提出了一种以气体放电管（GDT）作为快速开关的峰值增益技术，可显著提升TENG瞬时输出电流与负载峰值功率，同时验证了TENG输出与负载消耗之间存在较大差距，将能量利用率的概念引入TENG领域。主要研究结果如下：

1.    将气体放电管（GDT）作为毫秒级的快速开关，在5 Ω的低电阻下将峰值电流提高4000倍，峰值负载功率达165.5 mW（图1和图2）。另外，利用TENG-GDT系统的高峰值功率，显著提高了15 W灯组和208个直径为10 mm的LED的亮度。此外，在人体组织的屏障下,仍可以无线点亮一个16 W的灯组（图3）。

2.    用标准化的放电管代替手工开关，具有更强的性能稳定性，并提出了GDT广泛应用于TENG的电源管理电路中的原则性条件。第一、TENG的开路电压要高于GDT的击穿电压，以保证GDT能正常导通。第二、同时满足用电器件的额定功率和工作频率。GDT击穿电压越大，峰值功率越大，而脉冲电流频率越低。第三、不宜选择过小导通电压的GDT型号，避免GDT中出现续流现象，造成寿命下降。

3.    通过实验发现，负载峰值功率与TENG峰值功率之间有数量级的差异。这项工作将能量利用率的概念引入TENG领域，提出评价TENG性能的新标准，即负载功率应得到重视，并通过参数优化匹配获得能量利用率的提升。

论文基于负载匹配原理，对GDT提升TENG峰值输出功率的有益作用进行了验证，并对GDT内的等离子体放电机理进行了仿真分析研究。论文研究成果为TENG电路提供了一种新的、高性价比的、直接可用的提升峰值输出功率的方案，并提出了一种评价不同电子器件提升TENG输出性能的通用标准，有助于TENG批量应用于低频能量收集、分布式能源系统和交互式传感网络等方面。

图1 TENG-GDT的结构、工作机理及潜在应用

图2 TENG-GDT高性能的峰值输出特征

图3 TENG-GDT输出电能的应用测试

上述研究成果发表在相关领域国际权威刊物《Nano Energy》上：Bo Li, Yiyong Yang^*, Jiaqi Chen, Junyao Shen, Xu Liu, Linhong Ji, Ze Yang^*, Jia Cheng^*. Gas discharge tubes for significantly boosting the instantaneous current and active power of load driven by triboelectric nanogenerators. Nano Energy, 2023, 108: 108200. [IF2021= 19.069]

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108200