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摩擦納米發(fā)電機的電源管理策略與電力摩擦電子學研究獲進展

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摩擦納米發(fā)電機的電源管理策略與電力摩擦電子學研究獲進展

摘要: 　　摩擦納米發(fā)電機自2012年發(fā)明以來，在人體動能和環(huán)境機械能的收集上展示出了很大優(yōu)勢和應用潛力。IDTechEx學習報告預測2027年摩擦電能量收集在傳感器領域市場規(guī)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(fā)電機自2012年發(fā)明以來，在人體動能和環(huán)境機械能的收集上展示出了很大優(yōu)勢和應用潛力。IDTechEx學習報告預測2027年摩擦電能量收集在傳感器領域市場規(guī)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(fā)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(fā)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(tǒng)學習所學習員張弛和王中林領導的學習團隊一直致力于摩擦納米發(fā)電機電源管理技術的學習，并取得了突破性進展。學習團隊基于最大化能量傳遞、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(fā)電機的通用型電源管理策略，并研制了電源管理模塊。基于該模塊，摩擦納米發(fā)電機85%的能量可以實現(xiàn)自主釋放，降壓后可在負載電阻上得到平穩(wěn)持續(xù)的電壓輸出。在1Hz的工作頻率下，摩擦納米發(fā)電機的匹配阻抗可從35 MΩ降低至1 MΩ，能量效率達到80%。基于該模塊為1mF的電容充電5分鐘，相比摩擦納米發(fā)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(shù)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(yōu)勢。通過與各式各樣的摩擦納米發(fā)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，置于護肘、衣服、護膝和鞋底的摩擦納米發(fā)電機，可以在關節(jié)彎曲、穿衣、步行等低頻日常活動下，通過該模塊輕松驅動電子表、溫度計、計算器和計步器等商用電子器件持續(xù)工作，有望在下一代可穿戴電子產品中完全實現(xiàn)由人體活動來供能。在環(huán)境機械能收集方面，用于收集踩踏、風、振動、海浪和雨滴等能量的摩擦納米發(fā)電機，通過該模塊可實現(xiàn)即時式或短時間歇式的無線傳感信號發(fā)射，有望在分布式無線傳感器網絡中，完全實現(xiàn)利用周圍環(huán)境為網絡節(jié)點供能，為自驅動系統(tǒng)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于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(fā)電機的能量，展現(xiàn)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，完整的摩擦電子學學習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）主要學習基于摩擦電可調控的電子器件，展現(xiàn)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學習基于電子器件的摩擦電變換與調控，展現(xiàn)電源管理和高效利用等功能，這將為摩擦納米發(fā)電機的實用化學習開啟一個新的起點，并將在未來的能源互聯(lián)網應用中發(fā)揮重要作用。
　　相關學習論文“摩擦納米發(fā)電機的通用型電源管理策略”發(fā)表于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.
　　論文鏈接



　　圖1 基于摩擦納米發(fā)電機和電源管理模塊的微能源采集、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(fā)電機的電源管理策略與電力摩擦電子學研究獲進展  |  責任編輯：蟲子
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