近期，河南大學程綱教授課題組的研究成果「A Universal and Passive Power Management Circuit with High Efficiency for Pulsed Triboelectric Nanogenerator」在國際著名刊物Nano Energy(IF=15.548, JCR一區)上發表。
作為一種全新的能源技術，基於摩擦起電與靜電感應效應耦合的摩擦納米發電機(TENG)可以直接將環境中的各種各樣的機械能，如風能、雨滴、波浪、人體運動等，直接轉化為電能。與電磁發電機相比，其在較低的工作頻率下具有較高的能量轉化效率。與壓電納米發電機相比，其輸出電壓及能量提升了3-4個數量級，且其所用的材料和能量來源更加廣泛。將TENG與電子器件在具體的工作環境中有效的結合起來，發展自驅動的電子器件或系統，將是可穿戴電子器件和物聯網中傳感器的發展方向。但是，由於TENG本身高電壓、低電流和交流脈衝的輸出特性，目前還沒有一種TENG能夠獨立、持續、穩定的為電子器件供電。TENG都需要電源管理電路和能量存儲器件來實現穩定的輸出。
在本工作中，首先對基於靜電振動開關的脈衝式摩擦納米發電機(Pulsed-TENG)的匹配阻抗進行了研究，理論計算結果表明Pulsed-TENG的等效阻抗為零。在模擬中，發現匹配阻抗為0.001 Ω時，輸出電壓及能量仍可以達到最大值。這說明了Pulsed-TENG的輸出能量可以保持最大化，不受負載電阻的影響。然後通過模擬和實際測試對基於靜電振動開關的Pulsed-TENG的無源電源管理電路的能量存儲效率進行了研究。模擬結果顯示其總能量存儲效率可以達到83.6%，在實際的充電測試中，能量存儲效率為57.8%。且應用此電路存儲的電能可以驅動商用計算器與溫度溼度傳感計等電子器件。由於輸出阻抗得到了最大程度的降低，始終保持輸出能量的最大化，基於靜電振動開關的Pulsed-TENG及其無源電源管理電路組成的系統將在自驅動電子器件和物聯網中有廣泛的應用前景。
圖1 Pulsed-TENG的結構與工作原理示意圖。(a) Pulsed-TENG的結構示意圖；(b) Pulsed-TENG的工作原理圖，Ⅰ初始狀態，Ⅱ靜電吸引力小於懸臂梁振子的彈性回復力，Ⅲ靜電吸引力大於懸臂梁振子的彈性回復力，Ⅳ發生電荷的轉移。
圖2無源電源管理電路的能量轉移過程及模擬的能量存儲效率。(a-b)基於Pulsed-TENG的無源電源管理電路的兩個能量轉移階段；(c)無源電源管理電路中通過電感的電壓；(d)無源電源管理電路中通過電感的電壓在第一個充電循環的放大圖；(e)無源電源管理電路中儲能電容C2的電壓隨充電循環變化的曲線；(f)無源電源管理電路單個充電循環的存儲能量和能量存儲效率隨充電循環變化的曲線；(g)無源電源管理電路單個充電循環的能量和能量存儲效率隨儲能電容C2的電壓變化的曲線；(h)無源電源管理電路總能量存儲效率隨充電循環變化的曲線
圖3 TENG-EVS在不同電容、不同電感下的充電曲線、輸出能量和能量存儲效率的實際測試結果。(a)不同電容器下的無源電源管理電路儲能電容C2的電壓隨時間變化的曲線；(b)不同電容器下的無源電源管理電路存儲的能量隨時間變化的曲線；(c)不同電容器下的無源電源管理電路的能量存儲效率隨時間變化的曲線；(d)不同電感下的無源電源管理電路儲能電容C2的電壓隨時間變化的曲線；(e)不同電感下的無源電源管理電路存儲的能量隨時間變化的曲線；(f)不同電感下的無源電源管理電路的能量存儲效率隨時間變化的曲線。
圖4基於Pulsed-TENG無源電源管理電路驅動電子設備的演示。(a)基於Pulsed-TENG的無源電源管理電路驅動電子設備的電路圖；(b)無源電源管理電路選用不同電容器時驅動溫度溼度計時的電壓曲線；(c)無源電源管理電路驅動溫度溼度計正常工作的實物圖；(d)無源電源管理電路驅動計算器的實物圖。
碩士生秦懷方和顧廣欽博士為論文的共同第一作者，程綱教授和杜祖亮教授是本文的共同通訊作者。本工作得到國家自然科學基金委、河南省科技廳和河南大學的經費支持。
來源 河南大學材料學院
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https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104372