Page 130 - 《摩擦学学报》2020年第5期

第 5 期 赵波, 等: 球形摩擦纳米波浪能发电机的多物理场耦合建模方法研究 685

负载电阻R 和接地节点0. 通过改变负载阻值，可以得
C 1 1
到任意负载情况下的R-TENG输出性能情况. 考虑到
0.140 9 n
[20]
摩擦纳米发电机的高内阻属性 ，为了提高其输出性
V 1
S 能，本文中采用的电阻R 的阻值为1 GΩ.
1
R 1
1e9 图10(a)、10(b)所示为R-TENG为纯电阻负载R 的
1
情况下在外电路电流和负载功率变化图. 可见，在动
态波浪激励下，R-TENG输出交变的电流和时变的功
率，并表现出高电压、小电流的特点，这与文献中的仿
0
真和试验结果一致 [19, 21] . 另外，本仿真结果也证明了本
Fig. 9 Equivalent circuit of R-TENG
图 9 R-TENG等效电路 文中提出的全耦合仿真模型能够有效、定量地仿真R-
TENG在动态波浪激励下的实时电能和功率输出，这
如图9所示的摩擦纳米发电机的等效电路仿真模型. 为深入了解该种球形摩擦纳米发电机的发电功率对
电路中包含时变电压源V (即上述铝电极间的开路电 各因素的依赖关系和开展其高效率结构优化设计提
1
势差)、恒定电容C (即上述等效电容，值为0.140 9 nF)、 供了一种新的解决方法.
1
1.0 1.4
1.2
0.5 1.0
Electric current/μA −0.5 Load power/mW 0.8
0.0
0.6

−1.0 0.4
0.2
−1.5 0.0
0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10
Time/s Time/s
(a) Output electric current of R-TENG (b) Load power of R-TENG
Fig. 10 Circuit simulation results of R-TENG
图 10 R-TENG的电路仿真结果

3 结论 参 考 文 献

[ 1 ] Shi Hongda, Cao Feifei, Ma Zhe, et al. Experimental study on
a. 本文中基于COMSOL Multiphysics有限元仿真
physical model of oscillating float wave generator[J]. Ocean
软件，通过同时考虑波浪激励、浮动球壳、与内部起电
Technology, 2014, 33(4): 98–104 (in Chinese) [史宏达, 曹飞飞, 马
球之间相互作用关系，并开展仿物理随机数值波浪 哲, 等. 振荡浮子式波浪发电装置物理模型试验研究[J]. 海洋技
场、静电场及电路仿真，提出一种适用于球形摩擦纳 术, 2014, 33(4): 98–104].

米波浪能发电机的高保真、多物理场耦合建模方法. [ 2 ] Wen Z, Guo H, Zi Y, et al. Harvesting broad frequency band blue
energy by a triboelectric-electromagnetic hybrid nanogenerator[J].
b. 通过仿真分析，一方面，证明了本文基于静电
ACS Nano, 2016, 10(7): 6526–6534. doi: 10.1021/acsnano.6b03293.
物理场和固体力学物理场的多物理场摩擦发电仿真
[ 3 ] Fan F R, Tian Z Q, Wang Z L. Flexible triboelectric generator[J].
模块的可靠性；另一方面，证明了本多物理场耦合模 Nano Energy, 2012, 1(2): 328–34. doi: 10.1016/j.nanoen.2012.
型，可以对球形摩擦纳米发电机进行实时、动态、定量 01.004.
的仿真分析. 这为深入了解该种球形摩擦纳米发电机 [ 4 ] Sao J J, Jiang T, Tang W, et al. Studying about applied force and the
output performance of sliding-mode triboelectric nanogenerators[J].
的发电功率对各因素的依赖关系、研制高效率的球形
Nano Energy, 2018, 48: 292–300. doi: 10.1016/j.nanoen.2018.
摩擦纳米发电机并使其最终走向实用化提供了一种
03.067.
有效手段. [ 5 ] Wang Z L, Jiang T, Xu L. Toward the blue energy dream by