河南大學程綱團隊Nano Energy：脈沖式摩擦納米發電機的普適性無源高效電源管理電路

引言

隨著電子信息技術的發展，電子器件和傳感器的體積和功耗越來越小，這使得從其工作的環境中獲取能量，實現自驅動化成為可能。人們采用了多種方法從環境中獲取能量，如電磁發電機、壓電納米發電機、摩擦納米發電機等。在這些方法和技術中，電磁發電技術，基于法拉第電磁感應定律，是為人們生產生活供能的大能源，它需要較高的工作頻率。此外，較大的體積和重量使其不便于跟電子器件和傳感器進行集成。壓電納米發電機?(PENG) 基于材料的壓電效應，可以將機械能轉化為電能。但其受材料及環境的制約較大，輸出電壓及能量不足。作為一種全新的能源技術，基于摩擦起電與靜電感應效應耦合的摩擦納米發電機?(TENG) 同樣可以直接將環境中的各種各樣的機械能，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PENG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。

成果簡介

近期，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室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。在本工作中，為了解決TENG輸出阻抗高、與電源管理電路阻抗不匹配的問題，設計了一種基于脈沖式摩擦納米發電機 (Pulsed-TENG) 的具有普適性的無源電源管理電路。對基于靜電振動開關的脈沖式摩擦納米發電機(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，很好的解決了TENG與電源管理電阻阻抗不匹配的問題。然后通過模擬和實際測試對基于靜電振動開關的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濕度傳感計等電子器件。由于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，基于靜電振動開關的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。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。

圖1 Pulsed-TENG的結構與工作原理示意圖。

(a) 基于靜電振動開關的脈沖式摩擦納米發電機的結構示意圖;

(b) 基于靜電振動開關的脈沖式摩擦納米發電機的工作原理圖，（a）初試狀態；（b）靜電吸引力小于回復力的狀態；

（c）靜電吸引力大于恢復力的狀態；（d）發生電荷轉移的狀態。

圖2 傳統轉盤式獨立層TENG和TENG-EVS的輸出特性。

(a) 傳統轉盤式獨立層TENG的短路電流曲線，插圖為測量短路電流的電路原理圖；

(b) Pulsed-TENG的輸出電流曲線，插圖是用于測量輸出電流的電路原理圖；

(c) Pulsed-TENG在負載為0.001Ω時的理論計算和模擬的輸出電壓；

(d) Pulsed-TENG的模擬輸出電壓和能量隨負載電阻的變化的曲線。

圖3 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) 基于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4?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5 基于Pulsed-TENG無源電源管理電路驅動電子設備的演示。

(a) 基于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濕度計時的電壓曲線；

(c) 無源電源管理電路驅動溫度濕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。

文章鏈接：

A universal and passive power management circuit with high efficiency for pulsed triboelectric nanogenerator. (Nano Energy, 2020, 68, 104372)

網址鏈接:

?https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104372?

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。

作者簡介

程綱，男，1978年生，博士，教授，博士生導師，國家優秀青年基金獲得者，河南省高校創新團隊帶頭人，河南省科技創新杰出青年，河南省學術技術帶頭人。2003年起，在河南大學特種功能材料教育部重點實驗室工作，2013-2016年在佐治亞理工學院做訪問學者，從事納米結構與光電器件的研究。在ACS Nano、Adv. Mater.、Nano Energy、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem.、Appl. Phys. Lett.等期刊發表SCI論文50余篇。主持國家自然科學基金3項，獲得河南省科技進步二等獎2項。主要研究方向有：納米結構與光電器件，納米發電機，自驅動傳感器等。

Email:

chenggang129@126.com

chenggang@henu.edu.cn

本文由河南大學程綱團隊供稿。

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