FOMS综述
[1] Standards and figure-of-merits for quantifying the performance of triboelectric nanogenerators:
通过TENG的机械激励x、两电极的电势差V以及转移电荷量Q,可以完整描述TENG的发电过程。
TENG理论模型常用一阶集总电路控制方程用于描述TENG的V-Q-x关系:
TENG在受到周期性的激励(0<x<xmax)并向外部负载R输出时,TENG的电学状态在V-Q图中循环(CEO循环),曲线形成封闭图形,其面积代表一个工作周期输出的能量。TENG分别在开路和短路时工作分别能够达到最大电压VOC(xmax)和最大转移电荷QAC(xmax)。
为了使TENG的电荷和电压达到充分的转移,提升TENG V-Q曲线的图形面积,訾云龙在此基础上提出最大输出循环(CMEO):TENG分别在短路状态和开路状态间切换,使电荷Q在循环中充分转移,V-Q曲线的图形面积得到显著提升。经过证明,R→∞时,CMEO曲线围绕形成的四边形包围了所有V-Q循环的曲线,面积代表了TENG一个周期内能够输出的最大能量:Em=1/2(VOC,max+V‘max)QAC,max.
经过证明,当TENG进行CMEO循环时,一般能够衡量TENG性能优劣的平均功率 和能量转换效率中均包含Em/xm,其公式分别为:
其中 和 分别表示TENG的外部激励的速度和作用力。因此,可以确定Em/xm表示了TENG本身固有的输出能力。为了能从结构的角度对TENG进行评估,在Em/xm的基础上分别排除TENG的大小A与材料起电能力σ因素,一个仅与TENG固有结构有关的性能因素被提出:
其中ε0表示真空中介电常数。进一步在此基础上加上TENG材料起电能力因素,定义TENG的性能品质因数:
对结构品质因数的重新定义和修正:
[2] Maximized Effective Energy Output of Contact-Separation Triggered Triboelectric Nanogenerators as Limited by Air Breakdown:
在高外接负载下,自由电荷难以快速发生转移,这造成两电极电压快速增值,使空气发生瞬时的静电击穿。通过理论和实验的方式,将V-Q曲线包围的面积中最大能量Em中存在静电击穿的部分消除,得到考虑静电击穿的图形面积Eem,
在[3]中进一步将TENG的结构品质因数修正为:
在此基础上,[3]进一步提出能够准确测量评估Eem的策略,并将压电纳米发电机同样纳入评价体系。
[4] Simulation and structure optimization of triboelectric nanogenerators considering the effects of parasitic capacitance:
导线等其他元器件存在0到100pF之间的寄生电容,与TENG的固有电容具有相近数量级,寄生电容可能大幅影响TENG固有输出特性。通过考虑TENG在工作过程中的寄生电容,对FOMS进行了修正。修正后TENG的结构品质因数能够显著受到寄生电容变化带来的影响:
[5] Optimization principles and the figure of merit for triboelectric generators:
基于正弦激励下TENG与外部电阻R所构成的电路系统建模,对控制方程进行无量纲化:
在此基础上通过优化无量纲参数使平均功率最大化,定义考虑了实际最佳匹配器件电容和外接电阻下的TENG器件品质因数:
代表了在最佳的TENG电容和阻抗匹配下、单位面积向固定外部负载R输出的功率。
缺点:从TENG与外部激励与外接负载所组成的电路整体的角度定义设备品质因数。仅适用于外接固定负载的最简单电路。且 由材料起电能力项σ与外部激励项 构成,不表示包含器件的结构性能。
[6] Structural figure-of-merits of triboelectric nanogenerators at powering loads:
由于在TENG实际外接负载R的情况下输出会显著降低,实践中Em作为输出性能上限难以达到。因此需要更为实际精准的方式。[5]Peng等人提出的TENG的设备品质因数没有考虑TENG的边界效应对于发电的影响,实际应用中相对不准确。Jiajia Shao将CMEO循环分为四部分(两个摩擦过程和两个中和过程),探究了在CMEO的循环下将不同外部电阻的影响纳入TENG的V-Q曲线方程,计算出了TENG外接不同R时的最大能量:
基于此,重新定义了TENG结构品质因数。经过修正后的结构品质因数会随着不同的外接负载发生明显变化。能够评估TENG在向外部负载输出时实际输出性能。
[3] A universal standardized method for output capability assessment of nanogenerators:
在TENG实际应用过程中,静电击穿制约了实际TENG的输出能力,訾云龙根据Paschen’s Law,将静电击穿效应对TENG在CMEO中的最大Em修正为Eem。但文章中没直接给出Eem的公式。
[7] Quantifying the power output and structural figure-of-merits of triboelectric nanogenerators in a charging system starting from the Maxwell's displacement current:
将TENG与外接整流桥和电容视为整体,通过电容电压饱和后收集的能量作为标准,定义了TENG充电系统结构品质因数:
其中k代表电压达到饱和所需的TENG工作循环次数。
[8] Boost the Performance of Triboelectric Nanogenerators through Circuit Oscillation:
基于TENG的电容效应,在外部电路中增加用于暂储能的电感,与周期性的外部激励组成LRC振荡,实现V-Q循环的放大。单个周期释放的能量E,大幅超越原有代表TENG最大输出循环的Em。 但文章中没重新定义结构品质因数。
[9] Effect of the inherent capacitance optimization on the output performance of triboelectric nanogenerators:
TENG中有等效的固有电容,通过为TENG串联外部电容的方式可以增加内部固有电容。这种策略可以显著提升TENG的输出性能,因此需要考虑串联电容后TENG的实际输出能量。因此TENG的结构品质因数被修正为: