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脉冲式摩擦纳米发电机:无电源亦可释放大能量

2020-01-15 08:05:03 中国科学报   作者: 李惠钰  
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脉冲式摩擦纳米发电机可驱动电子设备。

作为一种全新的能源技术,基于摩擦起电与静电感应效应耦合的摩擦纳米发电机(TENG)可以直接将环境中微小的机械能转换为电能,例如可以收集空气或水的流动、引擎的转动,甚至是人在走路、说话、心跳、肌肉收缩等运动中由摩擦产生的能量。

随着电子信息技术的发展,电子器件和传感器的体积和功耗越来越小,而TENG这种颠覆性技术的出现,也使得未来很多装置不再需要电池,从其工作的环境中获取能量就可以实现自己发电。

但是,由于TENG本身高电压、低电流和交流脉冲的输出特性,目前还没有一种TENG能够独立、持续、稳定地为电子器件供电,都需要电源管理电路和能量存储器件来实现稳定的输出。

为此,河南大学特种功能材料教育部重点实验室/材料学院程纲教授课题组设计了一种基于脉冲式摩擦纳米发电机(Pulsed-TENG)的通用无源电源管理电路,输出阻抗得到了最大程度的降低,并始终保持输出能量的最大化,很好地解决了传统TENG存在的输出阻抗高等问题。

该研究成果近日已发表于国际期刊Nano Energy上。

优势:输出阻抗为零

TENG与电磁发电机相比,其在较低的工作频率下具有较高的能量转化效率;与压电纳米发电机相比,其输出电压及能量提升了3~4个数量级,所用的材料和能量来源也更加广泛。将TENG与电子器件在具体的工作环境中有效地结合起来,发展自驱动的电子器件或系统,是可穿戴电子器件以及物联网中传感器的发展方向。

实际上,就工作原理来说,Pulsed-TENG与传统的TENG是相同的,都是摩擦起电效应和静电感应效应的耦合。但是,Pulsed-TENG却具有一个显著的优势——输出阻抗为零。

“传统的TENG具有输出电压高、电流低、输出阻抗很高(兆欧姆量级)和输出为交流脉冲形式的特点。”论文第一作者、河南大学特种功能材料教育部重点实验室/材料学院顾广钦博士告诉《中国科学报》,传统TENG的等效电路是一个恒压源和一个可变电容器的串联,电容器的变化速率由TENG的运动频率决定。但是,TENG通常在低频下工作(几赫兹至几十赫兹),这使得在较小的负载时,其电学输出仅受控于运动频率,而与输出负载无关,这也是造成TENG输出阻抗高的根本原因。

针对上述问题,程纲课题组在TENG的输出端引入同步触发的机械开关,研发了Pulsed-TENG。据介绍,Pulsed-TENG的等效电路是一个恒压源、一个恒定电容器和一个开关的串联,其电学输出与TENG的运动频率无关,仅受输出负载的控制,因此其输出阻抗为零。这也使得Pulsed-TENG可以保持输出电压和能量的最大化,而不受外界阻抗的影响。

“这与普遍存在的TENG高内阻的特点有所不同,为未来该领域的研究带来了新的启示。”中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员张弛对《中国科学报》评价道,TENG具有较大的功率密度,但受高输出阻抗特性的制约,其对储能器件直接充电效率极低,也无法直接为用电器件供电,而Pulsed-TENG有效的电源管理技术的进展与突破,有望解决TENG实用化的技术瓶颈。

从“有源”到“无源”

在此之前,很多小组发展了各式各样的有源电源管理电路,极大提高了TENG对电容或电池充电的能量存储效率。但是,由于TENG的输出阻抗大,与电源管理电路之间存在严重的阻抗不匹配,因此需要在电源管理电路中引入有源器件,这也增大了电路的复杂性和能耗。

对此,程纲课题组制备了具有单向输出的Pulsed-TENG,并利用其阻抗匹配和单向输出的特点设计出无源的电源管理电路。不仅简化了电路结构,而且在实际的充电过程中获得了48.0%的总能量存储效率。

但是,顾广钦告诉记者,由于单向开关的结构复杂,其使用环境受到较大的制约,难以与转盘式等多种广泛使用的TENG相匹配,因此无法用于收集环境中形式多样的机械能。因此,他们还需要开发一种与Pulsed-TENG相匹配的普适的无源电源管理电路,实现对TENG输出能量的高效管理和存储。

在本次工作中,程纲课题组就设计了一种基于Pulsed-TENG的具有普适性的无源电源管理电路。在模拟中,他们发现,匹配阻抗为0.001Ω时,其输出电压及能量仍可以达到最大值。这说明了Pulsed-TENG的输出能量可以保持最大化,不受负载电阻的影响,很好地解决了TENG与电源管理电阻阻抗不匹配的问题。

顾广钦表示,他们通过模拟和实际测试对基于静电振动开关的Pulsed-TENG的无源电源管理电路的能量存储效率进行了研究。模拟结果显示,其总能量存储效率可以达到83.6%,在实际的充电测试中,能量存储效率为57.8%。应用此电路存储的电能可以驱动商用计算器与温度湿度传感计等电子器件。

对此,张弛认为,这一数据也代表着其设计的电源管理电路对于实际的产业化应用已经是可以采用的策略。此外,通过简单的电路设计实现有效的电源管理,方法简单易行,为未来阵列化和大规模应用提供了理论基础。

产业化仍面临挑战

由于解决了TENG输出阻抗高的问题,Pulsed-TENG将在基于TENG的自驱动能量包、自驱动传感器及其系统和网络等方面有重要的应用前景。

“但就目前来说,Pulsed-TENG要想实现产业化应用,还有很多问题需要解决。首先就面临多模式、高性能Pulsed-TENG的设计和制备问题。”顾广钦坦言。

对此,程纲课题组已经展开研究。顾广钦表示,他们将从Pulsed-TENG的设计出发,集成现在TENG领域所有的技术手段和方法,提高TENG介电摩擦层的电荷密度,提高其输出特性,降低摩擦阻力和磨损,并提高其耐久性、稳定性。另外还将开发多种多样的机械开关,使其适用于更多模式和更多种类的Pulsed-TENG,从而拓展Pulsed-TENG的应用范围。

不仅如此,顾广钦表示,现在的电源管理电路只是将TENG输出的电能高效地存储在电容中,但是,电容只是电能的暂存装置,不能对外输出稳定的电压。因此,还需要发展更高效、多功能的电源管理电路,不仅仅能够输出稳定的电压,还要对输出电能进行管理和分配,以满足不同传感器的需求。

“每项新发明的产业化应用总是存在着诸多困难,这是新技术走向消费者必然要经历的过程。”在张弛看来,基于TENG的空气净化器、汽车尾气处理装置和夜跑发光鞋等已经成功孵化。目前,Pulsed-TENG在实验阶段已经取得了很多的成果,市场化的关键就是找到真正需要此类发明的地方,即“痛点”。

为此,张弛建议从Pulsed-TENG收集低频、低振幅的特点出发,寻找需要此类应用的地方。另外,为了尽快实现项目落地,初期的样机设计也必不可少,他建议在实验室成果报道的同时,做好样机的研发和推广。

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104372




责任编辑: 李颖

标签: 脉冲式 摩擦纳米发电机 无电源

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