重慶大學胡陳果課題組Joule：通過高效能量管理方案從低頻機械能中獲得超高電輸出

研究背景

摩擦納米發電機(TENG)，2012年由王中林院士團隊發明，在低頻環境機械能量的收集發電方面具有獨特的優勢，是實現物聯網中分散式傳感器能量供給的重要且有效的途經，目前，TENG技術已經成為能源領域重要的發展方向。然而，TENG具有的高電壓（kV），小電流（μA）特點，導致了其在實際應用中輸出能量和能量利用效率并不高，因此，迫切需要通過高效的能量管理方案，進一步發揮TENG在實際應用中的重要作用。在以前的研究中，有報道TENG的能量管理工作，比如像變壓器、機械和電子開關等方法，而這些方法在有效提高能量利用效率的同時具有明顯的局限性。例如，僅僅使用變壓器對低頻的機械能的轉換效率并不高，并且適用于TENG的變壓器未曾被研究；機械開關隨TENG運動存在明顯擾動；電子開關往往需要額外的電源供其工作，并且一般不能承受高電壓。

成果簡介

2021年1月15日，重慶大學物理學院胡陳果課題組發表研究論文“Ultrahigh electricity generation from low-frequency mechanical energy by efficient energy management” （通過高效能量管理方案從低頻機械能中獲得超高電輸出）。論文以重慶大學唯一單位和通訊單位在Cell姊妹刊Joule（影響因子29.155）上發表。重慶大學博士生王曌和博士生劉文林為共同第一作者，重慶大學胡陳果教授和劉安平副教授為共同通訊作者。

該工作提出了一種高效、低成本、便捷的能量管理方案，該方案包括自動Spark開關和與TENG參數匹配的變壓器。其中，Spark開關開啟電壓可調，且將TENG收集的低頻能量以快速放電形式轉換為高頻能量。在2.4 mm 空氣間隙下，TENG可提供高達7.5 kV電壓開啟Spark開關，遠高于傳統能源管理工作。該工作同時給出了針對TENG這類隨機低頻的發電機的普適變壓器設計流程。研究結果表明，使用該能量管理電路，0.01 m^-2的TENG在脈沖模式下功率密度可達11.13 kW m^-2，刷新了能量管理輸出的記錄；在恒流模式下獲得了超過1mW/Hz的平均功率輸出，1赫茲工作頻率時可持續地驅動4*4的傳感器陣列，展示了其在超高電壓下優異的能量管理效果。同時，在經歷55,000次數的運動周期，輸出性能仍保持有99.96%。該工作報道的普適、高效、穩定且低成本的能量管理方案，在摩擦電納米發電機上的成功應用，顯示該能量管理方案在物聯網分散式供能方面的巨大潛力，推動了TENG未來廣泛的商業化應用進程。

圖1，高電壓TENG的能源管理的設計與性能， A，能量管理策略，首先提高低頻TENG的電壓（７.５ｋＶ），以擊穿火花放電開關，該能量再經參數匹配的變壓器高效轉換，可以驅動４＊４并聯的溫濕度計。B，能量管理后的電流密度，C，負載電阻上的電壓及平均功率，D，平均功率與其他能量管理工作的對比。

圖2，伴隨TENG運動開啟火花放電開關的原理與實際輸出性能，A,TENG產生高壓導通火花放電開關原理圖，B，火花放電開關放電瞬間的實際圖，C，不同類型的火花放電開關維持電壓的性能，D，在不同間隙的火花放電開關下的TENG的輸出能量，E，在放電過程中開關兩端的電壓與同時流經的電荷，F，不同電容值的C_in對輸出電荷，輸出能量的影響，G，不同擊穿電壓下的輸出電壓和最佳C_in，H，不同空氣間隙的V-Q圖。

圖3 ，經過火花放電過程后，中高頻變壓器的工作原理與TENG在不同變壓器下的輸出特點。A，變壓器工作原理，包含續流過程。B，與TENG匹配的中高頻變壓器實際圖，C，經火花放電開關后，TENG使用不同AP值（變壓器磁芯的橫截面積與窗口面積乘積）的2000：27變壓器給220 F電容器供電的電壓，D，E，分別是使用75：1，不同匝數的變壓器在220 F電容器的第一充電周期的電壓和最大輸出能量。F，G，H分別是采用3000：40的變壓器給220 F電容器供電的第一充電周期的電壓，輸出能量，輸出電流。

圖4，使用匹配的能量管理電路后TENG的輸出性能。A，充不同電容值的電容器的在第一周期充入的電壓，B，能量管理電路，C，輸出的電流，D，脈沖電流放大圖以及電流積分得到的電荷，E，脈沖模式下的功率阻抗匹配，F、G，恒流輸出模式下的平均功率輸出和電阻上電壓，H，在不同工作頻率下的最大平均功率輸出。

圖5，能量管理后TENG的穩定性和驅動高功率電子設備的應用演示。A，連續55,000次運動周期的穩定性測試。B，驅動4*4并聯的溫濕度計的實時電壓。C， 成功驅動4*4并聯的溫濕度計的實際效果圖。D，能量管理后，TENG在1 Hz點亮108個并聯的直徑10 mm的大功率LED燈。D，同樣在1 Hz 低頻下驅動9盞額定功率10 W，額定電壓12 V的的商業LED燈。F，集成化的能量管理電路。G，1 Hz低頻下驅動3個無線傳感器的示意圖，包括了運動傳感器，光強傳感器，溫濕度傳感器，手機作為無線信號接收端。H，驅動3個無線傳感器的實時的電壓圖。

小結

該工作提出了一種高效、低成本、便捷的能量管理方案，并根據AP法提出了針對TENG這樣隨機低頻的發電機的普適變壓器設計流程。使用該能量管理電路，0.01 m^-2的TENG在脈沖模式下功率密度可達11.13 kW m^-2；在恒流模式下獲得了超過1mW/Hz的平均功率輸出。同時，在經歷55，000次數的運動周期，輸出性能仍保持有99.96%的穩定性。在１Hz低頻下，可以持續驅動4*4并聯的溫濕度傳感器，大功率并聯LED以及多個無線傳感器，顯示該能量管理方案在物聯網供能的巨大潛力，提高了TENG的有效電能供給能力，推動了TENG未來廣泛的商業化應用進程。

?文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S254243512030622X?dgcid=author 。

課題組介紹

胡陳果，重慶大學教授，教授，博士生導師，國務院特殊津貼專家, Nano Energy副主編，Nano-Micro Letters 編委。博士畢業于重慶大學，曾在美國佐治亞理工學院訪學1年。主要從事低維功能材料制備和納米器件設計及應用等方面的研究，特別是在摩擦納米發電機及自驅動傳感器方面做出了許多創新性工作。共發表SCI 論文270 多篇，被引用10000 多次 (Web of Science)，其中，以通訊作者發表《科學》子刊3篇和《自然》子刊3篇，ESI 高被引15篇，H-因子50。主持國家自然科學基金5項和省部級基金4項，參加863課題1項。申請發明專利26 項，獲授權21 項，獲省部級自然科學一等獎和二等獎各1 項（排名第1），獲得中國產學研合作創新成果優秀獎1項。

課題組主頁：http://www.phys-sssl.cn/home

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