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郑海务课题组在摩擦纳米发电机研究领域取得新进展

发布日期: 2021-06-25

近日,物理与电子学院河南省新能源材料与器件国际联合实验室极化材料、器件与应用课题组在摩擦纳米发电机的电源管理策略领域取得新进展,相关成果以“A universal power management strategy based on novel sound-driven triboelectric nanogenerator and its fully self-powered wireless system applications”为题在线发表于自然指数期刊、国际权威期刊Advanced Functional Materials (DOI:10.1002/adfm.202103081影响因子:16.83),论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202103081。

随着物联网技术的快速发展,无处不在的传感器为人们的日常生活带来了极大的便利。与此同时,电源和功耗问题已经成为制约传感器节点大规模部署和应用的关键因素。基于麦克斯韦位移电流理论的摩擦纳米发电机(TENG),以其在收集微幅/低频机械能方面的独特优势,成为传感器节点分布式和可持续能源的可靠解决方案。但TENG输出平均功率较低,因此在提升TENG输出功率的同时,设计既适应TENG特点又适应负载需求的通用能量管理策略,对微纳能源工程化有着重要的应用价值。

基于此,郑海务课题组提出了一种基于绣绷结构的声音驱动TENG(EH-TENG),在共振频率为170 Hz,声压为110 dB的条件下可以产生500 V的开路电压和124 μA的短路电流,在非固定频率声源下可以驱动小功率用电器。在实现了EH-TENG优良电输出性能的基础上,结合电力电子技术,提出了一种通用、可靠的TENG电源管理策略,通过阻抗变换、斩波稳压、输出方式控制等,克服了当负载功率需求大于TENG平均功率时负载无法工作的问题。文章展示了其驱动小功率家用电器、基于蓝牙的无线传感器的能力,首次实现了利用NB-IoT技术持续连接广域网,驱动商业的无线传感节点,完成远距离数据传输,为TENG在物联网领域的广泛应用奠定了坚实基础。本工作既对推进专用的TENG能量管理集成电路的设计具有指导意义,又为推动基于TENG的微纳能源的商业化应用做了有益探索。

2021欧洲杯买球app郑海务教授、王自法教授和中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士是论文的共同通讯作者,2021欧洲杯买球app是第一署名单位,2019级硕士生王志新、吴永辉老师为共同第一作者。研究工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金、河南省杰出青年基金、河南省科技攻关和河南省高校科技创新团队等项目的资助。