基于温度波动的静电式热电能量采集研究

This project focusing on the thermal-electrical energy harvesting using non linear capacitance variation of PVDF-based ferroelectric polymers in room temperature. Based on the Electrostatic enerngy harvesting technology and Ericsson thermodynamic cycle, the Ericsson thermal-electrical energy harvesting model can be built for energy harvesting simulation, and fanally the energy can be harvested in the room temeprature.In order to avoid the overestamited the harvested energy, the simulation is carried out by considering the dielectric constant tunability of temperature. By analysing the polarization mechanism and the dielectric property of the polymers, the optimum working temperature range would be found, and subsquently, the ratio of energy harvesting can be improved greatly. on the other hand, the synthesis technology and the dielectric property are also investigated,by changing the composition of the defect and their synthesis technology,the dielectric property isincreased and the polarization transition temperature is decreased,therefore, the ability of energy harvesting is improved greatly.

本项目拟利用含氟铁电聚合物薄膜在室温范围内的非线性电容-温度特性进行热电能量采集的研究。使静电能量采集法与Ericsson热动力学循环相结合，建立起基于温度波动的Ericsson热电能量采集模型，并实现室温区间的静电式热电能量采集。在考虑到含氟铁电聚合物具有介电-温度调谐性的情况下，采用Ericsson能量采集模型进行仿真模拟以提高模拟准确度。通过对其极化微观机制及宏观介电性质的研究，找出最佳工作温度区间，使其采能效率最大化。同时对材料的制备工艺和介电性能进行深入研究，通过改变组分比及制备工艺，以提高材料介电性质和降低材料极化转变温度，从而提高其热电能量采集能力。

随着微电子技术的日趋成熟，电子产品正在不断趋向于微型化和集成化。使各种新型电子元器件的工作功率越来越低。目前，各种无线传感器件消耗的功率基本上在µw~mw量级。能量采集是一种新型的低功率能量获取技术，其本质是通过智能手段，把周围环境中广泛存在的潜在能源转化为可用电能。包括：机械能，热能，光能，电磁能等。本课题主要研究以热能为初始能源形式的微能量采集技术。. 随着微电子技术的日趋成熟，电子产品正在不断趋向于微型化和集成化。使各种新型电子元器件的工作功率越来越低。目前，各种无线传感器件消耗的功率基本上在µw~mw量级。能量采集是一种新型的低功率能量获取技术，其本质是通过智能手段，把周围环境中广泛存在的潜在能源转化为可用电能。包括：机械能，热能，光能，电磁能等。本课题主要研究以热能为初始能源形式的微能量采集技术。. 在模型构建方面，相较于传统的热电能量采集方式，本课题重点引入了热电能量循环模型—Ericsson热动力学模型，对该模型中四个进程进行了深入研究，构建了完整的Ericsson热电能量采集模型。将各种参数包括材料介电常数，外加电场，温度变化等植入数学模型，并通过参数变化的反馈结果对数学模型进行了优化。全面分析了各个参数对能量采集值及其转化效率的影响。. 在材料性能的分析研究方面，对于含氟铁电聚合物材料，主要对其在在不同温度条件下，以及不同频率的外加电场下的电滞回线进行对比分析，包括单极性和双极性电滞回线。基于已经建立的数学模型，进行了热电能量采集的实验，在温度波动范围40°C左右，外加电场100 kV/mm时，单次循环可获得电能3483 mJ/cm3。此外，对薄膜材料的微观机理进行分析得出：材料发生明显非线性电容变化主要来源于其内部在温度发生变化时，会产生由温度变化诱导的纳米极性区极化机制的转化。. 能量采集技术是信息科学领域前沿性的研究课题，本研究首次尝试将热动力学循环Ericsson模型与非线性电容温度特性相结合，是微能源技术与铁电材料，热动力学的综合交叉。Ericsson模型的引入，打破常规的线性能量采集技术采集效率低的瓶颈从根本上实现能量采集效率突破性的提高。本研究还将聚合物材料的介电-温度在外加电场情况下的温度可调谐性纳入模拟系统参数中，极大地提高了模拟结果的准确度。为热电能量采集的研究开辟了更有效的途径。