重庆大学胡陈果课题组Joule：通过高效能量管理方案从低频机械能中获得超高电输出

研究背景

摩擦纳米发电机(TENG)，2012年由王中林院士团队发明，在低频环境机械能量的收集发电方面具有独特的优势，是实现物联网中分散式传感器能量供给的重要且有效的途经，目前，TENG技术已经成为能源领域重要的发展方向。然而，TENG具有的高电压（kV），小电流（μA）特点，导致了其在实际应用中输出能量和能量利用效率并不高，因此，迫切需要通过高效的能量管理方案，进一步发挥TENG在实际应用中的重要作用。在以前的研究中，有报道TENG的能量管理工作，比如像变压器、机械和电子开关等方法，而这些方法在有效提高能量利用效率的同时具有明显的局限性。例如，仅仅使用变压器对低频的机械能的转换效率并不高，并且适用于TENG的变压器未曾被研究；机械开关随TENG运动存在明显扰动；电子开关往往需要额外的电源供其工作，并且一般不能承受高电压。

成果简介

2021年1月15日，重庆大学物理学院胡陈果课题组发表研究论文“Ultrahigh electricity generation from low-frequency mechanical energy by efficient energy management” （通过高效能量管理方案从低频机械能中获得超高电输出）。论文以重庆大学唯一单位和通讯单位在Cell姊妹刊Joule（影响因子29.155）上发表。重庆大学博士生王曌和博士生刘文林为共同第一作者，重庆大学胡陈果教授和刘安平副教授为共同通讯作者。

该工作提出了一种高效、低成本、便捷的能量管理方案，该方案包括自动Spark开关和与TENG参数匹配的变压器。其中，Spark开关开启电压可调，且将TENG收集的低频能量以快速放电形式转换为高频能量。在2.4 mm 空气间隙下，TENG可提供高达7.5 kV电压开启Spark开关，远高于传统能源管理工作。该工作同时给出了针对TENG这类随机低频的发电机的普适变压器设计流程。研究结果表明，使用该能量管理电路，0.01 m^-2的TENG在脉冲模式下功率密度可达11.13 kW m^-2，刷新了能量管理输出的记录；在恒流模式下获得了超过1mW/Hz的平均功率输出，1赫兹工作频率时可持续地驱动4*4的传感器阵列，展示了其在超高电压下优异的能量管理效果。同时，在经历55,000次数的运动周期，输出性能仍保持有99.96%。该工作报道的普适、高效、稳定且低成本的能量管理方案，在摩擦电纳米发电机上的成功应用，显示该能量管理方案在物联网分散式供能方面的巨大潜力，推动了TENG未来广泛的商业化应用进程。

图1，高电压TENG的能源管理的设计与性能， A，能量管理策略，首先提高低频TENG的电压（７.５ｋＶ），以击穿火花放电开关，该能量再经参数匹配的变压器高效转换，可以驱动４＊４并联的温湿度计。B，能量管理后的电流密度，C，负载电阻上的电压及平均功率，D，平均功率与其他能量管理工作的对比。

图2，伴随TENG运动开启火花放电开关的原理与实际输出性能，A,TENG产生高压导通火花放电开关原理图，B，火花放电开关放电瞬间的实际图，C，不同类型的火花放电开关维持电压的性能，D，在不同间隙的火花放电开关下的TENG的输出能量，E，在放电过程中开关两端的电压与同时流经的电荷，F，不同电容值的C_in对输出电荷，输出能量的影响，G，不同击穿电压下的输出电压和最佳C_in，H，不同空气间隙的V-Q图。

图3 ，经过火花放电过程后，中高频变压器的工作原理与TENG在不同变压器下的输出特点。A，变压器工作原理，包含续流过程。B，与TENG匹配的中高频变压器实际图，C，经火花放电开关后，TENG使用不同AP值（变压器磁芯的横截面积与窗口面积乘积）的2000：27变压器给220 F电容器供电的电压，D，E，分别是使用75：1，不同匝数的变压器在220 F电容器的第一充电周期的电压和最大输出能量。F，G，H分别是采用3000：40的变压器给220 F电容器供电的第一充电周期的电压，输出能量，输出电流。

图4，使用匹配的能量管理电路后TENG的输出性能。A，充不同电容值的电容器的在第一周期充入的电压，B，能量管理电路，C，输出的电流，D，脉冲电流放大图以及电流积分得到的电荷，E，脉冲模式下的功率阻抗匹配，F、G，恒流输出模式下的平均功率输出和电阻上电压，H，在不同工作频率下的最大平均功率输出。

图5，能量管理后TENG的稳定性和驱动高功率电子设备的应用演示。A，连续55,000次运动周期的稳定性测试。B，驱动4*4并联的温湿度计的实时电压。C， 成功驱动4*4并联的温湿度计的实际效果图。D，能量管理后，TENG在1 Hz点亮108个并联的直径10 mm的大功率LED灯。D，同样在1 Hz 低频下驱动9盏额定功率10 W，额定电压12 V的的商业LED灯。F，集成化的能量管理电路。G，1 Hz低频下驱动3个无线传感器的示意图，包括了运动传感器，光强传感器，温湿度传感器，手机作为无线信号接收端。H，驱动3个无线传感器的实时的电压图。

小结

该工作提出了一种高效、低成本、便捷的能量管理方案，并根据AP法提出了针对TENG这样随机低频的发电机的普适变压器设计流程。使用该能量管理电路，0.01 m^-2的TENG在脉冲模式下功率密度可达11.13 kW m^-2；在恒流模式下获得了超过1mW/Hz的平均功率输出。同时，在经历55，000次数的运动周期，输出性能仍保持有99.96%的稳定性。在１Hz低频下，可以持续驱动4*4并联的温湿度传感器，大功率并联LED以及多个无线传感器，显示该能量管理方案在物联网供能的巨大潜力，提高了TENG的有效电能供给能力，推动了TENG未来广泛的商业化应用进程。

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

课题组介绍

胡陈果，重庆大学教授，教授，博士生导师，国务院特殊津贴专家, Nano Energy副主编，Nano-Micro Letters 编委。博士毕业于重庆大学，曾在美国佐治亚理工学院访学1年。主要从事低维功能材料制备和纳米器件设计及应用等方面的研究，特别是在摩擦纳米发电机及自驱动传感器方面做出了许多创新性工作。共发表SCI 论文270 多篇，被引用10000 多次 (Web of Science)，其中，以通讯作者发表《科学》子刊3篇和《自然》子刊3篇，ESI 高被引15篇，H-因子50。主持国家自然科学基金5项和省部级基金4项，参加863课题1项。申请发明专利26 项，获授权21 项，获省部级自然科学一等奖和二等奖各1 项（排名第1），获得中国产学研合作创新成果优秀奖1项。

课题组主页：http://www.phys-sssl.cn/home

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