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最新成果:摩擦发电机电源管理研究综述 精选

已有 3744 次阅读 2019-5-17 23:03 |个人分类:科研心得|系统分类:科研笔记| 摩擦纳米发电机, 电源管理, 北大, TENG

 本课题组日前在纳米科学技术领域重要期刊《纳米能源(Nano Energy)》上发表综述文章《摩擦发电机脉冲输出的电源管理与能量存储》(Power management and effective energy storage of pulsed output from triboelectric nanogenerator, doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.04.096),该文章已经正式上线2014级博士研究生程晓亮为论文第一作者。

摩擦发电机由于自身内阻较大,因此对现有电路直接供电难以达到阻抗匹配,效率也非常低下,是限制其实用化的一大因素。文章全面介绍了学术界在针对摩擦发电机电源管理方面所取得的系列研究成果,总结、归纳了摩擦发电机电源管理与能量存储方面的研究趋势,并对该领域的发展前景与技术路线进行了展望。

1 集成摩擦发电机、电源管理电路、能量存储单元于一体的自充电能量单元

 

本文首先回顾了摩擦发电机的理论电路模型,基于静电感应原理,摩擦发电机内部存在一个小的寄生电容,这是导致摩擦发电机输出电压高、电流低、匹配负载大的原因。并从理论出发,将摩擦发电机的输出电压-转移电荷量的图V-Q循环图作为设计摩擦发电机电源管理电路的重要手段。

在此基础上,作者将对摩擦发电机的电源管理归纳为三部分,分别是摩擦发电机输出的最大能量提取,摩擦发电机的电压降低,摩擦发电机与能量存储单元的集成三方面的研究进展。

2 摩擦发电机的电路模型与V-Q循环图

 

摩擦发电机电源管理的首要目标是实现摩擦发电机的最大能量提取,通过与摩擦发电机串并联开关,并在摩擦发电机输出达到正反向峰值时闭合开关均能获得最大能量循环,其中并联开关的方式只能在负载阻抗无限大时获得最大能量循环,进一步增大了匹配负载。而串联开关的方式则在较小的负载电阻上获取最大能量循环,实用价值更高。如何设计合理的开关是实现摩擦发电机最大能量提取的关键,受摩擦发电机运动触发的机械开关是最常见的开关方式,但会增加摩擦发电机设计的复杂度。

 

3 摩擦发电机的最大能量循环输出

 

 如何降低摩擦发电机的高输出电压到3-5V的直流电压是针对摩擦发电机电源管理的核心问题,根据降压方式的不同分为电感式变压器、电容式变压器和LC振荡电路。电感式变压器是最常见用于降低电压的手段,当摩擦发电机使用匹配的电感式变压器时,其输出电压和匹配负载都将明显减小,对应的输出电流和能量利用效率明显提高,是一种理想的能量管理方案。然而由于电感式变压器有固定的中心频率,且该中心频率较高,当摩擦发电机的输出频率偏离变压器的中心频率时其能量转换效率将明显降低。因此电感式变压器仅适用于对较高工作频率,且中心频率比较固定的摩擦发电机进行能量管理,如转动式摩擦发电机。

不同于电感式变压器具有固定的中心频率,电容式变压器基于自动切换的开关,可控制电容的连接方式,该电容器能够用于管理工作可变的摩擦发电机输出的短脉冲式波形,能够实现对不同模式摩擦发电机输出的有效管理,并达到可观的能量转换效率,但通常需要复杂的机械结构,限制了电容式变压器可使用的电容数量,从而限制了其变压比例。同时,开关阵列的布局需要根据摩擦发电机的结构进行优化,这极大限制了其通用能力,并提高了摩擦发电机的设计难度。

LC振荡的方法适用于不同模式摩擦发电机,且具有较高的能量转换效率,是目前研究的重点与热点,其设计关键仍然在于对摩擦的最大能量提取上,因此如何设计合适的无需外部供电的开关仍是进一步研究与努力的方向。

4 基于LC振荡的摩擦发电机的电源管理

 

将摩擦发电机与超级电容器、锂电池等能量存储单元集成,能够实现二者的优势互补,成为长期稳定的能源供给。研究的重点在于通过提高超级电容器、锂电池的柔性提高与摩擦发电机的集成度,及通过加入电源管理电路提高摩擦发电机对能量存储单元的充电效率,最终达到高效长期稳定的新型能源供给方式。

 

5 摩擦发电机与能量存储单元集成组成自充电能量单元

 

 

经过近几年的研究,针对摩擦发电机的电源管理工作取得了显著的进步,相关方法、理论逐渐成熟起来,但仍然需要在以下几个方面做出完善。

首先,对摩擦发电机的电源管理仍有进一步优化空间,包括能量提取的方式、降压的方式、与摩擦发电机的集成度;

其次,相应的能量存储器件仍需优化,包括更加适用于摩擦发电机的能量存储单元的研究、自我充电的一体化的器件、及高度集成的自充电能量单元的研究;

最后,针对复合机理的能量收集器的电源管理工作仍需进一步研究,包括同时对不同机理的器件的输出进行电源管理的能力、针对不同机理器件的高效电源管理方法。

 

6 针对摩擦发电机的电源管理工作展望

 

 2016年以来,本课题组Alice Wonderlab已在针对摩擦发电机的电源管理与能量存储研究中取得一系列重要研究成果。在电源管理方面,20175月利用LC振荡原理研制出适用于摩擦发电机的高效通用电源管理方案与系统(High Efficiency Power Management and Charge Boosting Strategy for aTriboelectric NanogeneratorDOI, 10.1016/j.nanoen.2017.05.063);在能量存储方面,20169月将高性能摩擦发电机与超级电容器集成在一起,设计了一体化的自充电能量单元(Integrated self-charging power unit with flexible supercapacitor and triboelectric nanogeneratorDOI:10.1039/C6TA05816G),20178月设计了基于纺布的自充电能量织物(All-fabric-based wearable self-charging power clothdoi.org/10.1063/1.4998426)。20191月采用柔性电路技术实现了摩擦发电机、电源管理电路、能量存储单元的单片集成,大幅提升了摩擦发电机对超级电容器的充电效率,并设计制备了可穿戴的自充电手环(High-efficiency self-charging smart bracelet for portable electronicsDOI.org/10.1016/j.nanoen.2018.10.045)。

相关研究得到国家自然科学基金、国家重大科学研究计划、北京市科技计划、北京市自然科学基金等项目的支持。



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