摩擦電納米發(fā)電機(jī)的前景
在過去的幾十年中，我們從自然環(huán)境中獲取能源一直在吸引廣泛的研究努力，以滿足世界范圍內(nèi)的能源需求。機(jī)械能如果能被有效地利用，不僅能對全球電力需求做出重大貢獻(xiàn)，而且還能作為移動電子設(shè)備的一種獨(dú)立和可持續(xù)的能源。
摩擦起電是我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常遇到的一種物理現(xiàn)象，無論是梳頭、穿衣還是走路、開車時都時常會遇到。但是，摩擦電很難被收集和利用，因此它的價值往往被人們所忽視。然而近年來，摩擦電納米發(fā)電機(jī)以其高效、低成本、魯棒性可靠、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)被作為一種前所未有的技術(shù)而被看好。2014年在Advanced Materials期刊上研究人員利用仿真論證了摩擦電納米發(fā)電機(jī)理論模型。
圖1 （圖片源于Adv. Mater. 2014, 26, 2818-2824）
2. 摩擦電納米發(fā)電機(jī)的原理及應(yīng)用
摩擦電納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理是在其內(nèi)部電路中，由于摩擦起電效應(yīng)，兩個摩擦電極性不同的材料薄層之間會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，從而在二者之間形成電勢差。在其外部電路中，電子在電勢差驅(qū)動下，在分別粘貼在摩擦電材料層背面的兩個電極之間或者電極與地之間流動，從而來平衡這個電勢差。
摩擦電納米發(fā)電機(jī)的需求非常廣泛，例如給主動感知的機(jī)器人供電。各種主動感知和響應(yīng)的軟機(jī)器人都是通過自供電的主動摩擦電動機(jī)器人皮膚來實(shí)現(xiàn)的，這種皮膚在低壓環(huán)境下具有良好的拉伸性和靈敏度（如圖2所示）。驅(qū)動能量來源于一種自然的摩擦電效應(yīng)，涉及接觸電和靜電感應(yīng)的協(xié)同作用。這種皮膚與軟致動器的完美結(jié)合，使軟機(jī)器人能夠執(zhí)行各種主動感知和交互任務(wù)，包括主動感知肌肉運(yùn)動、工作狀態(tài)、紡織品的濕度，甚至是微妙的人類生理信號。
圖2 (圖片源于Adv. Mater., 2018,180114)
3. 利用COMSOL對摩擦電納米發(fā)電機(jī)建模
類似于以上兩篇文章中對于摩擦發(fā)電的仿真研究，可以利用COMSOLMultiphysics來實(shí)現(xiàn)。該款大型的高級數(shù)值仿真軟件可以在一個模型中添加多個研究來實(shí)現(xiàn)對于不同數(shù)據(jù)的處理。利用該軟件對摩擦電納米發(fā)電機(jī)進(jìn)行建模，可以得到電極表面電勢的分布，電壓輸出與距離的關(guān)系以及電極電荷量與距離的關(guān)系（如圖1 b、c、d，圖2）。下面向大家介紹如何利用COMSOL Multiphysics對摩擦電納米發(fā)電機(jī)模型進(jìn)行仿真研究。
01新建模型向?qū)?/span>
從文件菜單中選擇新建。在新建窗口中，單擊模型向?qū)?/span>。在模型向?qū)?/span>窗口中，單擊二維。在選擇物理場樹中選擇AC/DC> 靜電(es)。單擊添加。單擊研究。在選擇研究樹中選擇預(yù)設(shè)研究，點(diǎn)擊穩(wěn)態(tài)。單擊完成。
02全局定義
首先設(shè)置參數(shù)，在模型開發(fā)器窗口的全局定義節(jié)點(diǎn)下，單擊參數(shù)1。在參數(shù)的設(shè)置窗口中，定位到參數(shù)欄。在名稱一欄中填入“ds”。在表達(dá)式一欄中填入“1[mm]”。
圖3 全局定義參數(shù)設(shè)置
03 繪制幾何形狀
該模型包括的幾何形狀包括圓形和兩個矩形，需要分別繪制。首先，在模型開發(fā)器窗口的組件 1 (comp1) 節(jié)點(diǎn)下，單擊幾何 1。在幾何的設(shè)置窗口中，定位到單位欄。從長度單位列表中選擇 mm。
圖4 更改長度單位
然后我們來繪制圓形：在幾何工具欄單擊圓。在圓的設(shè)置窗口中，定位到大小和形狀欄。在半徑文本框中鍵入“50”，在扇形角文本框中鍵入“360”。單擊構(gòu)建選定對象。
接下來繪制兩個矩形：在幾何工具欄中單擊矩形。在矩形的設(shè)置窗口中，定位到大小和形狀欄。在寬度文本框中鍵入“10”，在高度文本框中鍵入“1”。定位到位置欄。在基中選擇居中，在x文本框中鍵入“0”，在y文本框中鍵入“1/2+ds/2”。單擊構(gòu)建選定對象。矩形1就構(gòu)建完成了，矩形2和矩形1只有位置不同。按照上面的步驟構(gòu)建一個新的矩形，定位到位置欄。在y文本框中鍵入“-1/2-ds/2”。單擊構(gòu)建選定對象。
圖5 幾何圖形設(shè)置
圖6 幾何模型
04 組件定義
首先，需要在兩個極板的外表面加積分函數(shù)。操作如下：在定義工具欄中單擊組件耦合，然后選擇積分。單擊積分1，在積分設(shè)置窗口中，定位到源選擇欄，在幾何實(shí)體層列表中選擇邊界。在圖形窗口中單擊上極板的上表面，激活一欄中出現(xiàn)數(shù)字“7”。定位到高級欄，在積分階數(shù)文本框中輸入“4”。在下極板的外表面加積分是同樣的步驟，不同的是邊界需要選擇邊界“3”。
圖7 積分設(shè)置
在定義工具欄中單擊無限元域。在無限元域設(shè)置窗口中，定位到域選擇欄，激活“1”、“2”、“6”、“7”四個域。
圖8 無限元域設(shè)置及域選擇
05 添加材料
整個模型要添加兩種材料：給兩極板添加自定義材料，其余的區(qū)域材料定義為空氣。從材料工具欄單擊添加材料以打開添加材料窗口。轉(zhuǎn)到添加材料窗口。在模型樹中選擇內(nèi)置材料>Air。單擊添加到 “組件1”。在主屏幕工具欄中，單擊添加材料以關(guān)閉添加材料窗口。接下來給極板添加材料，從材料工具欄單擊空材料。單擊模型開發(fā)器材料>材料2以打開材料設(shè)置窗口，定位到幾何實(shí)體選擇欄，選擇域，手動激活區(qū)域“4”和“5”。定位到材料屬性明細(xì)欄，相對介電常數(shù)對應(yīng)的值中填入“1.5”。
圖9 材料參數(shù)設(shè)置及選擇
06剖分網(wǎng)格
在網(wǎng)格的設(shè)置窗口中， 定位到網(wǎng)格設(shè)置欄。從序列類型列表中選擇用戶控制網(wǎng)格。在模型開發(fā)器窗口中單擊網(wǎng)格1>大小，在大小設(shè)置窗口中定位到校準(zhǔn)為一列，選擇普通物理>預(yù)定義>超細(xì)化。單擊構(gòu)建選定對象。
在網(wǎng)格工具欄中單擊自由三角形網(wǎng)格，在自由三角形網(wǎng)格設(shè)置窗口的域選擇欄中激活域“3”，“4”，“5”。在自由三角形網(wǎng)格的大小設(shè)置窗口中，定位到幾何實(shí)體選擇欄，在幾何實(shí)體層選擇域，并激活區(qū)域“4”和“5”。定位到單元大小欄，選擇校準(zhǔn)為>普通物理>定制。定位到單元大小參數(shù)欄，單擊選擇最大單元大小，在相應(yīng)文本框中輸入“ds/2.5”。單擊構(gòu)建選定對象。
圖10自由三角形網(wǎng)格大小設(shè)置
剩余的區(qū)域選擇映射進(jìn)行網(wǎng)格剖分。在網(wǎng)格工具欄中單擊映射，從映射設(shè)置窗口的域選擇>幾何實(shí)體層一欄，選擇剩余。單擊全部構(gòu)建。
圖11 網(wǎng)格剖分效果
07 接電表研究
在剖分網(wǎng)格之前，在兩個絕緣表面加表面電荷密度，使它們一個帶正電，一個帶負(fù)電。當(dāng)上下電極接理想電壓表時，電極的另一端附懸浮電位。當(dāng)上下電極接理想電流表時，電極的另一端接地。具體操作步驟如下：在物理場工具欄中選擇邊界>表面電荷密度，從表面電荷密度的設(shè)置窗口中，定位到邊界選擇欄，激活邊界“6”。定位到表面電荷密度，在相應(yīng)文本框中填入“0.001”。同樣得，在邊界“4”施加4負(fù)表面電荷密度“-0.001”。
圖12 在絕緣表面加表面電荷密度
懸浮電位設(shè)置：在物理場工具欄中選擇邊界>懸浮電位，從懸浮電位的設(shè)置窗口中，定位到邊界選擇欄，激活邊界“7”。定位到懸浮電位欄，電荷選擇用戶定義，電荷Q0文本框中填入“0”。同理在邊界“3”也施加懸浮電位。
圖13 懸浮電位設(shè)置
在研究工具欄中單擊參數(shù)化掃描。在參數(shù)化掃描的設(shè)置窗口中，定位到研究設(shè)置欄。單擊添加，在參數(shù)化列表填入range(1,1,10)。在研究工具欄中單擊計(jì)算即可。
圖14 參數(shù)化掃描設(shè)置
08 穩(wěn)態(tài)結(jié)果
接電壓表研究對應(yīng)研究1，接電流表研究對應(yīng)研究2。首先，繪制電勢。在模型開發(fā)器窗口的結(jié)果節(jié)點(diǎn)下，單擊電勢 (es)。在二維繪圖組的設(shè)置窗口中，定位到數(shù)據(jù)欄。從參數(shù)值 (ds (mm)) 列表中選擇10。定位到數(shù)據(jù)欄，數(shù)據(jù)集選擇Study1 接電壓表/ParametricSolutions 1(sol2)。在模型開發(fā)器窗口中展開結(jié)果，選擇電勢研究1節(jié)點(diǎn)，然后單擊表面1。在表面的設(shè)置窗口中，單擊表達(dá)式欄右上角的替換表達(dá)式。從菜單中選擇模型 ，選擇組件 1， 靜電 ， 電 ，V-電勢-V。接電流表研究對應(yīng)研究2操作步驟相同。
圖15 接電壓表電勢（左）和接電流表電勢（右）
接下來繪制電壓輸出與距離的關(guān)系和電極電荷量與距離的關(guān)系曲線。首先，在模型開發(fā)器窗口的結(jié)果節(jié)點(diǎn)下，單擊一維繪圖組。在一維繪圖組的設(shè)置窗口中，在標(biāo)簽文本框中鍵入“電壓輸出與距離的關(guān)系”。定位到數(shù)據(jù)欄，數(shù)據(jù)集選擇Study1 接電壓表/Parametric Solutions 1(sol2)。參數(shù)選擇全部。單擊繪制。右鍵單擊模型開發(fā)器窗口下的電壓輸出與距離的關(guān)系節(jié)點(diǎn)，單擊選擇全局，在全局的設(shè)置窗口下，定位到y軸數(shù)據(jù)，在表達(dá)式一欄輸入“es.fp1.V0-es.fp2.V0”，單位輸入“V”。x軸數(shù)據(jù)選擇參數(shù)值。單擊繪制。電極電荷量與距離的關(guān)系曲線繪制步驟與上述相同，不同之處是數(shù)據(jù)集選擇Study2接電流表/ParametricSolutions 1(sol4)，全局設(shè)置窗口中的y軸數(shù)據(jù)表達(dá)式鍵入“intop1(es.nD)*1[m]”。
圖16 電壓輸出與距離的關(guān)系曲線（左）電極電荷量與距離的關(guān)系曲線（右）
