摩擦納米發電機的電源管理策略與電力摩擦電子學研究獲進展

2020-11-23 中國科學院

　　摩擦納米發電機自2012年發明以來，在人體動能和環境機械能的收集上展示出了很大優勢和應用潛力。IDTechEx研究報告預測2027年摩擦電能量收集在傳感器領域市場規模達到4億美元，是具有廣闊市場前景的新能源技術。摩擦納米發電機目前可以輸出很大的功率，但受高輸出阻抗特性的制約，其對儲能器件的直接充電效率極低，也無法直接為用電器件供電，有效的電源管理成為了摩擦納米發電機推廣和實用化的難點與技術瓶頸。

　　近年來，中國科學院北京納米能源與系統研究所研究員張弛和王中林領導的研究團隊一直致力於摩擦納米發電機電源管理技術的研究，並取得了突破性進展。研究團隊基於最大化能量傳遞、直流降壓變換和自管理機制，首次提出了一種針對摩擦納米發電機的通用型電源管理策略，並研製了電源管理模塊。基於該模塊，摩擦納米發電機85%的能量可以實現自主釋放，降壓後可在負載電阻上得到平穩持續的電壓輸出。在1Hz的工作頻率下，摩擦納米發電機的匹配阻抗可從35 MΩ降低至1 MΩ，能量效率達到80%。基於該模塊為1mF的電容充電5分鐘，相比摩擦納米發電機直接充電，存儲能量可提高128倍。

　　該模塊具有自主管理、參數可調、體積小巧等特點，相比之前機械開關式和外部供電式的電源管理模式具有很大優勢。通過與各式各樣的摩擦納米發電機集成工作，展示了該電源管理策略的通用性、高效性和實用性。在人體運動能收集方面，置於護肘、衣服、護膝和鞋底的摩擦納米發電機，可以在關節彎曲、穿衣、步行等低頻日常活動下，通過該模塊輕鬆驅動電子表、溫度計、計算器和計步器等商用電子器件持續工作，有望在下一代可穿戴電子產品中完全實現由人體活動來供能。在環境機械能收集方面，用於收集踩踏、風、振動、海浪和雨滴等能量的摩擦納米發電機，通過該模塊可實現即時式或短時間歇式的無線傳感信號發射，有望在分布式無線傳感器網絡中，完全實現利用周圍環境為網絡節點供能，為自驅動系統提供完整的微能源解決方案。

　　該電源管理策略中還首次提出了摩擦電子學能量提取器，這種新的摩擦電子學器件不同於之前由摩擦電來調控載流子輸運的器件，而是由自主式電子開關最大化地提取和傳遞了摩擦納米發電機的能量，展現了電子器件對摩擦電的管理與能源利用，是摩擦電與半導體一種新的耦合方式，由此拓展出摩擦電子學一個新的分支——電力摩擦電子學（Power-Tribotronics）。與電子學包含信息電子學和電力電子學類似，完整的摩擦電子學研究摩擦電與半導體相互作用的機制、特性與器件，其中，信息摩擦電子學（Info-Tribotronics）主要研究基於摩擦電可調控的電子器件，展現信息傳感與主動控制功能，面向人機智能交互應用；而電力摩擦電子學則是要研究基於電子器件的摩擦電變換與調控，展現電源管理和高效利用等功能，這將為摩擦納米發電機的實用化研究開啟一個新的起點，並將在未來的能源網際網路應用中發揮重要作用。

　　相關研究論文「摩擦納米發電機的通用型電源管理策略」發表於最新一期的《納米能源》（Nano Energy）期刊（DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.05.027）。

　　論文信息：Fengben Xi#, Yaokun Pang#, Wei Li, Tao Jiang, Limin Zhang, Tong Guo, Guoxu Liu, Chi Zhang*, Zhong Lin Wang*. Universal Power Management Strategy for Triboelectric Nanogenerator. Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.05.027.

    論文連結

 

圖1 基於摩擦納米發電機和電源管理模塊的微能源採集、管理和應用

 

圖2 摩擦電子學領域的形成與分類

　　摩擦納米發電機自2012年發明以來，在人體動能和環境機械能的收集上展示出了很大優勢和應用潛力。IDTechEx研究報告預測2027年摩擦電能量收集在傳感器領域市場規模達到4億美元，是具有廣闊市場前景的新能源技術。摩擦納米發電機目前可以輸出很大的功率，但受高輸出阻抗特性的制約，其對儲能器件的直接充電效率極低，也無法直接為用電器件供電，有效的電源管理成為了摩擦納米發電機推廣和實用化的難點與技術瓶頸。
　　近年來，中國科學院北京納米能源與系統研究所研究員張弛和王中林領導的研究團隊一直致力於摩擦納米發電機電源管理技術的研究，並取得了突破性進展。研究團隊基於最大化能量傳遞、直流降壓變換和自管理機制，首次提出了一種針對摩擦納米發電機的通用型電源管理策略，並研製了電源管理模塊。基於該模塊，摩擦納米發電機85%的能量可以實現自主釋放，降壓後可在負載電阻上得到平穩持續的電壓輸出。在1Hz的工作頻率下，摩擦納米發電機的匹配阻抗可從35 MΩ降低至1 MΩ，能量效率達到80%。基於該模塊為1mF的電容充電5分鐘，相比摩擦納米發電機直接充電，存儲能量可提高128倍。
　　該模塊具有自主管理、參數可調、體積小巧等特點，相比之前機械開關式和外部供電式的電源管理模式具有很大優勢。通過與各式各樣的摩擦納米發電機集成工作，展示了該電源管理策略的通用性、高效性和實用性。在人體運動能收集方面，置於護肘、衣服、護膝和鞋底的摩擦納米發電機，可以在關節彎曲、穿衣、步行等低頻日常活動下，通過該模塊輕鬆驅動電子表、溫度計、計算器和計步器等商用電子器件持續工作，有望在下一代可穿戴電子產品中完全實現由人體活動來供能。在環境機械能收集方面，用於收集踩踏、風、振動、海浪和雨滴等能量的摩擦納米發電機，通過該模塊可實現即時式或短時間歇式的無線傳感信號發射，有望在分布式無線傳感器網絡中，完全實現利用周圍環境為網絡節點供能，為自驅動系統提供完整的微能源解決方案。
　　該電源管理策略中還首次提出了摩擦電子學能量提取器，這種新的摩擦電子學器件不同於之前由摩擦電來調控載流子輸運的器件，而是由自主式電子開關最大化地提取和傳遞了摩擦納米發電機的能量，展現了電子器件對摩擦電的管理與能源利用，是摩擦電與半導體一種新的耦合方式，由此拓展出摩擦電子學一個新的分支——電力摩擦電子學（Power-Tribotronics）。與電子學包含信息電子學和電力電子學類似，完整的摩擦電子學研究摩擦電與半導體相互作用的機制、特性與器件，其中，信息摩擦電子學（Info-Tribotronics）主要研究基於摩擦電可調控的電子器件，展現信息傳感與主動控制功能，面向人機智能交互應用；而電力摩擦電子學則是要研究基於電子器件的摩擦電變換與調控，展現電源管理和高效利用等功能，這將為摩擦納米發電機的實用化研究開啟一個新的起點，並將在未來的能源網際網路應用中發揮重要作用。
　　相關研究論文「摩擦納米發電機的通用型電源管理策略」發表於最新一期的《納米能源》（Nano Energy）期刊（DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.05.027）。
　　論文信息：Fengben Xi#, Yaokun Pang#, Wei Li, Tao Jiang, Limin Zhang, Tong Guo, Guoxu Liu, Chi Zhang*, Zhong Lin Wang*. Universal Power Management Strategy for Triboelectric Nanogenerator. Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.05.027.
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圖1 基於摩擦納米發電機和電源管理模塊的微能源採集、管理和應用
 
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