Transient physical modeling and comprehensive optimal design of air-breakdown direct-current triboelectric nanogenerators

摩擦电效应 材料科学 瞬态(计算机编程) 直流电 电流密度 气隙(管道) 电流(流体) 电气工程 光电子学 电压 计算机科学 工程类 物理 量子力学 复合材料 操作系统
作者
Keren Dai,Di Liu,Yajiang Yin,Xiaofeng Wang,Jie Wang,Zheng You,He Zhang,Zhong Lin Wang
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:92: 106742-106742 被引量:27
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2021.106742
摘要

Direct-Current Triboelectric Nanogenerators (DC-TENGs) achieves an direct-current (DC) output instead of traditional alternating-current (AC) output of TENG. Among the various structure designs of DC-TENGs, the air-breakdown DC-TENG has created a record of energy density and an almost constant-current output, which has great potential in practical applications. This paper proposes a transient physical-field model and carries out comprehensive optimal design for air-breakdown DC-TENG. The beneficial breakdown domain (BBD) and harmful breakdown domain (HBD) are introduced to reveal the dynamic mechanism that distinguishes the DC-TENGs from AC-TENGs. Indexes of the breakdown charge ratio (BCR) and leading charge density (LCD) are defined to evaluate the extent to which the high-density surface charge is effectively exploited in electricity generation based on the beneficial breakdown effect. The output characteristics of air-breakdown DC-TENGs are theoretically analyzed, revealing the influence of the load resistance, device structure parameters, and initial charge density. Therefore, the optimal design of air-breakdown DC-TENGs is carried out with a high output power and low matching resistance. Finally, these superior performances are verified by experiments, so that the proposed transient physical model and comprehensive optimization method can be reliably extended to the design of all types of air-breakdown DC-TENG, and promote its application in a wide range of fields.
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