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研究进展

研究进展

程纲教授课题组在Nano Energy上报道了脉冲式摩擦纳米发电机的通用无源高效电源管理电路

来源: 河南大学材料学院    日期:2019-12-24   浏览次数:

近期,程纲教授课题组的研究成果“A Universal and Passive Power Management Circuit with High Efficiency for Pulsed Triboelectric Nanogenerator”在国际著名刊物Nano Energy (IF=15.548, JCR一区)上发表。

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104372

作为一种全新的能源技术,基于摩擦起电与静电感应效应耦合的摩擦纳米发电机(TENG)可以直接将环境中的各种各样的机械能,如风能、雨滴、波浪、人体运动等,直接转化为电能。与电磁发电机相比,其在较低的工作频率下具有较高的能量转化效率。与压电纳米发电机相比,其输出电压及能量提升了3-4个数量级,且其所用的材料和能量来源更加广泛。将TENG与电子器件在具体的工作环境中有效的结合起来,发展自驱动的电子器件或系统,将是可穿戴电子器件和物联网中传感器的发展方向。但是,由于TENG本身高电压、低电流和交流脉冲的输出特性,目前还没有一种TENG能够独立、持续、稳定的为电子器件供电。TENG都需要电源管理电路和能量存储器件来实现稳定的输出。

在本工作中,首先对基于静电振动开关的脉冲式摩擦纳米发电机(Pulsed-TENG)的匹配阻抗进行了研究,理论计算结果表明Pulsed-TENG的等效阻抗为零。在模拟中,发现匹配阻抗为0.001 Ω时,输出电压及能量仍可以达到最大值。这说明了Pulsed-TENG的输出能量可以保持最大化,不受负载电阻的影响。然后通过模拟和实际测试对基于静电振动开关的Pulsed-TENG的无源电源管理电路的能量存储效率进行了研究。模拟结果显示其总能量存储效率可以达到83.6%,在实际的充电测试中,能量存储效率为57.8%。且应用此电路存储的电能可以驱动商用计算器与温度湿度传感计等电子器件。由于输出阻抗得到了最大程度的降低,始终保持输出能量的最大化,基于静电振动开关的Pulsed-TENG及其无源电源管理电路组成的系统将在自驱动电子器件和物联网中有广泛的应用前景。

图1 Pulsed-TENG的结构与工作原理示意图。(a) Pulsed-TENG的结构示意图;(b) Pulsed-TENG的工作原理图,Ⅰ初始状态,Ⅱ静电吸引力小于悬臂梁振子的弹性回复力,Ⅲ静电吸引力大于悬臂梁振子的弹性回复力,Ⅳ发生电荷的转移。

图2无源电源管理电路的能量转移过程及模拟的能量存储效率。(a-b)基于Pulsed-TENG的无源电源管理电路的两个能量转移阶段;(c)无源电源管理电路中通过电感的电压;(d)无源电源管理电路中通过电感的电压在第一个充电循环的放大图;(e)无源电源管理电路中储能电容C2的电压随充电循环变化的曲线;(f)无源电源管理电路单个充电循环的存储能量和能量存储效率随充电循环变化的曲线;(g)无源电源管理电路单个充电循环的能量和能量存储效率随储能电容C2的电压变化的曲线;(h)无源电源管理电路总能量存储效率随充电循环变化的曲线

图3 TENG-EVS在不同电容、不同电感下的充电曲线、输出能量和能量存储效率的实际测试结果。(a)不同电容器下的无源电源管理电路储能电容C2的电压随时间变化的曲线;(b)不同电容器下的无源电源管理电路存储的能量随时间变化的曲线;(c)不同电容器下的无源电源管理电路的能量存储效率随时间变化的曲线;(d)不同电感下的无源电源管理电路储能电容C2的电压随时间变化的曲线;(e)不同电感下的无源电源管理电路存储的能量随时间变化的曲线;(f)不同电感下的无源电源管理电路的能量存储效率随时间变化的曲线。

图4基于Pulsed-TENG无源电源管理电路驱动电子设备的演示。(a)基于Pulsed-TENG的无源电源管理电路驱动电子设备的电路图;(b)无源电源管理电路选用不同电容器时驱动温度湿度计时的电压曲线;(c)无源电源管理电路驱动温度湿度计正常工作的实物图;(d)无源电源管理电路驱动计算器的实物图。

硕士生秦怀方和顾广钦博士为论文的共同第一作者,程纲教授和杜祖亮教授是本文的共同通讯作者。本工作得到国家自然科学基金委、河南省科技厅和河南大学的经费支持。

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