西南交通大學Nano Energy：一種自驅動無線智能傳感器

【引言】

列車的安全檢測如今逐漸成為了高速列車發展一個重要的方面。但是對傳感器了通訊電子設備來講，傳統的檢測手段需要外部電源，如鋰電池、電容等，來為其進行供電。隨著時間的推移，這種傳統的供電方式越發不實用，并且會有大量復雜的布線。不僅如此，由于電池壽命等問題，還會產生潛在的環境危害。從這方面來講，一種理想的解決方案就是用一種能量收集裝置來代替電池，來實現自驅動的安全監測系統。

【成果簡介】

近日，西南交通大學楊維清教授（通訊作者）發明了一種自驅動無線智能傳感器，創新性地利用磁懸浮原理巧妙地結合了摩擦發電機和電磁發電機。一方面多孔PTFE作為摩擦發電機的摩擦層增強了摩擦電效應，另一方面，磁懸浮的巧妙設計可以有效地減小運動過程中的能量損耗，更大程度地將機械能轉換為電能。在電性能輸出方面，僅用350秒就可以將0.1F的超級電容從0V充到3V，同時也可以有效地為鋰電池充電。通過陣列的復合發電機可以持續地為無線智能傳感器供電，并實時地將數據傳輸到智能手機上，實現了物聯網（IoT）技術在高速列車檢測系統中的應用。這為列車的安全監測提供了一個新的思路，并實現了物聯網與高速列車的一個有機結合。相關工作以題為“Self-Powered Wireless Smart Sensor Based on Maglev Porous Nanogenerator for Train Detection System”發表到Nano Energy上Doi: 10.1016/j.nanoen.2017.05.018。

【圖文導讀】

圖一 應用于列車檢測系統的自供電無線智能傳感器的結構設計

a. 在列車運行過程中利用從列車振動中轉換的能量。

b. 列車轉向架圖片。

c. 安裝在列車轉向架上的復合發電機陣列。

d. 傳感器圖片。

e. 電源管理電路。

f. 一個完整的復合發電機圖示和詳細的具體結構。

g. SEM圖像顯示聚四氟乙烯聚合物多孔結構。

圖二 發電機電能產生過程

a. 包含TENG和EMG在內的復合發電機原理圖

b. COMSOL多物理場模擬電磁發電過程

c. COMSOL多物理場模擬摩擦發電過程

圖三 發電機的輸出電性能

a. TENG不同的外部負載電阻上的輸出電壓和電流信號

b. EMG不同的外部負載電阻上的輸出電壓和電流信號

c. TENG在不同的外部負載電阻上的功率密度

d. EMG在不同的外部負載電阻上的功率密度

e. TENG在干燥與清水沖洗后的環境下的短路電流和開路電壓

f. EMG在干燥與清水沖洗后的環境下的短路電流和開路電壓

g. 在干燥環境下用發電機點亮的LED燈泡

h. 在清水沖洗后的環境下用發電機點亮的LED燈泡

圖四 發電機為鋰電池和超級電容充電的性能

a. 電源管理的電路圖。

b. 為不同的超級電容充電的電壓曲線。

c. 圖(b)中的放大圖。

d. 為鋰電池充電的電壓曲線。

e. 復合發電機不同部分的質量占比。

圖五 復合發電機驅動無線智能傳感器的展示

a. 復合發電機陣列圖片

b. 復合發電機陣列可以被彎曲

c. 傳感器的圖片

d. 發電機連接在7mF的超級電容上為無線傳感器供電的電壓曲線

e. 圖(d)的部分放大圖

f. 傳感器開始工作的正常狀態

g. 對傳感器進行加熱后的狀態

h. 對傳感器進行加濕后的狀態

【小結】

該工作展示了一個復合發電機，包括一個TENG和一個EMG，用來收集火車的振動能量，以持續地為無線智能傳感器供電。無線智能傳感器可以將數據傳輸到手機上，顯示溫度和濕度。更重要的是，MPNG還可以為照明提供電力，作為應急電源。這種設計的MPNG有可能在沒有外部電源的情況下進行無線監控，尤其是在列車監控系統中。

文獻鏈接：Self-Powered Wireless Smart Sensor Based on Maglev Porous Nanogenerator for Train Monitoring System (Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.05.018)

本文由西南交通大學楊維清老師組靳龍同學投稿（點我查看課題組簡介），新能源組 深海萬里 編輯整理。

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