华中科技大学宋培义教授团队:纳米发电机的瞬时自供电传感系统 | Sensors

近年来,通过收集机械能的方式进行自供电的电子设备已得到了广泛研究(www.vrok.cn)。然而,大多数自供电过程在收集能量时需要花费很长时间,这就导致在某些特定应用中该方法效率低下甚至出现系统故障。为了实现更高效的自供电过程,本文设计并构建了一个瞬时自供电传感系统。在该系统中,传感器的工作不依赖于电池,且传感信号可以实时采集。实现这个目标主要依赖两点。第一点,选用高功率密度的平面结构旋转式摩擦纳米发电机 (pr-TENG) 作为机械能量采集器。第二点,设计了一种瞬时驱动式电源管理电路 (PMC),其放电电流持续时间长、电能传输效率高。来自华中科技大学的宋培义教授及其团队发表在Sensors 的文章将pr-TENG驱动的瞬时自供电射频 (RF) 传输系统集成在门外壳中,在手转动门把手的瞬间,pr-TENG可以将转动的机械能转换为自用的电能,进而发出一个远程控制命令,展示出了瞬时自供电传感系统在智能家居、环境监测和安全监控等广泛应用中的巨大潜力。

瞬时自供电传感系统的设计

自供电传感系统通常由三个主要的子系统组成:能量转换单元、电源管理单元和传感单元,如图1所示。在能量转换单元中,发电机收集环境的机械能或热能并转换为电能。电源管理单元中调节发电机不稳定的输出,为传感器提供稳定的电压和电流。

图1. 自供电传感系统的流程图及其工作过程。

瞬时自供电过程是指能量的采集过程和传感器的供电过程同时进行,且整个过程在很短的瞬时时间内完成。为实现这一目标,系统必须满足两个要求:

一是发电机的输出功率足够高。因为对于低功率的发电机而言,实现毫瓦级电子设备自供电的最常用的方法通常需要花费更长时间来收集能量,大部分需要持续几秒甚至几分钟;

二是电源管理电路 (PMC) 应具有较高的电源管理效率,这可以减少能源的流失浪费。以往对自供电电子技术的研究大多将自供电过程分为能量获取和能量释放两个阶段。然而,在本文设计的瞬时驱动过程中,能量的获取和释放过程是同时发生的 (在1秒内),这将大大缩短驱动周期,提高工作效率。

大功率瞬时驱动发电机的设计

常见的高功率毫瓦级的发电机有摩擦电纳米发电机和电磁发电机 (EMG)。其中最有前途的是平面结构旋转式摩擦纳米发电机 (pr-TENG),它的高功率得益于周期性电网设计的高密度。EMG具有与pr TENG相同的周期性电网设计和高功率。然而,在实现瞬时驱动方面,pr-TENG和EMG有很大的不同,如图2所示。

图2. pr-TENG和EMG的结构设计和COMSOL模拟结果

EMG的旋转角速度是pr TENG的一半 (此处旋转角速度为π/s)。曲线的峰峰值仅为0.1v左右,远低于pr-TENG。这种差异主要来自两台发电机的工作机制:一个开路电压来自磁通量,另一个来自电位移矢量。这一特点体现了pr-TENG在获取机械能方面的优越性。

结论

本文构建了一个瞬时自供电传感系统。该系统满足两个要求,一是发电机的输出功率要足够高,二是电源管理电路应具有较高的用电效率。最后,设计了一个基于平面结构旋转TENG的瞬时自供电传感系统,成功实现了TENG自供电的瞬时射频传输。同时,还构建了一个基于自供电射频传输系统的智能家居原型。

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