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胡陈果教授课题组在Cell子刊Joule上发表研究成果

作者:点击次数:更新时间:2021年01月16日

2021115日,欧冠体育_欧冠体育买球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)。该论文以重庆大学唯一单位和通讯单位在Cell核心子刊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。

摩擦纳米发电机(TENG),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,比如像利用变压器、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。

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-2TENG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1 mW/Hz的平均功率输出,1赫兹工作频率时可轻易地驱动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。文章链接:

该研究得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的支持


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(7.5 kV),以击穿Spark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。

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