基于结构参数预测摩擦发电机输出的仿真实验设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

人们利用能量来进行生产生活已经延续了数百年，从最初的简单取火，到之后的蒸汽机，再到电气时代的电力。人们所能利用的能量越来越多，同时对自然资源的消耗也越来越严重。现如今，由于人民对于自然资源的过度使用，温室效应加强，寻求一种可持续使用的能源已经十分重要^[2]。如果能够从环境中收集的我们日常生活中所使用的电能，那么将会使得全球温室效应有所减缓。从环境中获取便的微量电源是携式电子设备和无线传感器网络所能利用的潜在能源，在过去的数年间引起了广泛的关注。

现有的四种微能量收集技术：振动驱动电磁式、压电式、静电式振动能量采集器和摩擦纳米发电机^[17]。

其中基于接触电气化和静电感应的摩擦发电机，作为一种能有效收集多余机械能的技术，有着十分广阔的前景。随着科技的发展，便携式电子设备和各种网络传感器的需求也飞速上升，所以全世界对环境能量的收集也越发感兴趣。作为可持续能源收集的摩擦发电机，已经被广泛研究。

2. 研究的基本内容与方案

1. 基本内容

1. 了解摩擦纳米发电机的工作原理：摩擦起电效应和接触电气化是摩擦纳米发电机的基本原理。但是不同的材料之间，由于介电常数的不同，所以引起电荷转移程度也不一样。了解摩擦纳米发电机常用材料，并了解摩擦纳米发电机输出的影响因素，比如摩擦层表面结构等。

2. 摩擦纳米发电机结构设计：了解电动力学中影响摩擦纳米发电机的相关参数。对摩擦纳米发电机的电极、介电层以及负载电路进行设计并优化。同时建立三维模型，构建不同介电层之间摩擦层的设计。

3. 基于comsol的仿真实验分析：建立基于摩擦起电效应的摩擦发电机电动力学模型。在模型建立的基础之上，对摩擦发电机的输出功率及工作过程进行仿真。此模型主要描绘了摩擦发电机的工作原理及电荷转移状况，并通过comsol的仿真实验了解介电层厚度、介电层间隙、摩擦层表面结构以及电极材料对于摩擦发电机输出功率的影响。为了便于后续讨论，做出一下假设：

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   3. 研究计划与安排

   2020.01---2020.03 阅读相关文献，并完成外文文献翻译工作；

   2020.03---2020.04选择一种合适的结构，基于comsol multiphysics软件，建立面积、间隙和介电厚度等结构参数对输出响应的单独作用和相互作用关系；

   2020.04---2020.05基于不同结构设计参数对其输出响应的作用，建立中心复合模型，研究其结构参数对摩擦发电机输出的输出电压的总体影响，对比研究结果，说明结果的有效性；

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   4. 参考文献（12篇以上）

   1. paresh vasandani p,zhi-hong mao,wenyan jia,mingui sun.design of simultaltion experiments to predict triboelectric generator output using structural parameters[j],simultaltion modelling practice and theory ,2016,68:95-107.

   2. d.a.barkas,c.s.psomopoulos,p.papageorgas,k.kalkanis,d.piromalis,a.mouratidis.sustainable energy harvesting through triboelectric nano-generators :a review of current status and applications[j],sciencedirect,energy procedia,2019,95-107.

   3. i1-woong tcho,weon-guk kim,seung-bae jeon,sang-jae park,boung ju lee,hee-kyoung bae,daewon kim,yang-kyu choi,surface structural analysis of a friction layer for a triboelectric nanogenerator[j],nano energy,2017,42:34-42.

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