發(fā)布時(shí)間：2019-07-10所屬分類(lèi)：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 基于摩擦納米發(fā)電具有可持續(xù)的供電、高效的輸出、簡(jiǎn)單的工藝、穩(wěn)定的性能等優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用在人體動(dòng)能和環(huán)境機(jī)械能收集上。本文主要對(duì)摩擦納米發(fā)電技術(shù)在變換器領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)進(jìn)行梳理，并分析未來(lái)申請(qǐng)的可能趨勢(shì)。 【關(guān)鍵詞】摩擦納米發(fā)電,電源管理模
基于摩擦納米發(fā)電具有可持續(xù)的供電、高效的輸出、簡(jiǎn)單的工藝、穩(wěn)定的性能等優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用在人體動(dòng)能和環(huán)境機(jī)械能收集上。本文主要對(duì)摩擦納米發(fā)電技術(shù)在變換器領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)進(jìn)行梳理，并分析未來(lái)申請(qǐng)的可能趨勢(shì)。
【關(guān)鍵詞】摩擦納米發(fā)電,電源管理模塊,變壓變荷
能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題一直以來(lái)都是人們普遍關(guān)注的焦點(diǎn)，2006年，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院王中林教授等成功的在納米尺度范圍內(nèi)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，研制出世界上最小的發(fā)電——壓電納米發(fā)電。2012年，王中林教授又提出并開(kāi)發(fā)摩擦納米發(fā)電。其基本原理是利用摩擦在材料表面產(chǎn)生電荷，并使兩者分離，從而產(chǎn)生極高的電勢(shì)，驅(qū)動(dòng)外電路的電子發(fā)生定向移動(dòng)，產(chǎn)生電能。
IDTechEx公司研究報(bào)告預(yù)測(cè)2027年摩擦電能量收集在傳感器領(lǐng)域的市場(chǎng)規(guī)模就將達(dá)到4億美元，是具有廣闊市場(chǎng)前景的新能源技術(shù)。目前，摩擦納米發(fā)電已經(jīng)可以達(dá)到500W/m2輸出功率，從指標(biāo)上看可以滿足許多低功耗系統(tǒng)的應(yīng)用需求。但是如果直接將摩擦納米發(fā)電應(yīng)用于現(xiàn)有傳統(tǒng)電路，將極大的受限于電流，從而導(dǎo)致高電壓的特性無(wú)法得到充分的利用。
此外，只有將隨機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為持續(xù)穩(wěn)定的電能輸出，才能滿足市面上電子器件的工作要求，真正實(shí)現(xiàn)摩擦納米發(fā)電在生產(chǎn)、生活中的實(shí)際應(yīng)用。因此，研制通用型、高效式、實(shí)用化的摩擦納米發(fā)電電源管理模塊，以及解決現(xiàn)有納米發(fā)電因?yàn)楦唠妷旱碗姾傻妮敵鎏匦远c傳統(tǒng)電路無(wú)法有效結(jié)合的技術(shù)瓶頸是摩擦發(fā)電在微能源應(yīng)用領(lǐng)域亟待突破的核心技術(shù)。
1技術(shù)路線梳理
基于摩擦納米發(fā)電具有可持續(xù)的供電、高效的輸出、簡(jiǎn)單的工藝、穩(wěn)定的性能等優(yōu)勢(shì)，摩擦納米發(fā)電已成為人們研究的重點(diǎn)。下面主要來(lái)介紹一下摩擦納米發(fā)電技術(shù)在變換器領(lǐng)域的發(fā)展歷程。2012年，專(zhuān)利文獻(xiàn)CN103859678A公開(kāi)了為了提供穩(wěn)定的電壓輸出，將降壓變壓器、整流器、濾波電路、穩(wěn)壓電路與所述納米摩擦發(fā)電串聯(lián)連接，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。
2013年，為了實(shí)現(xiàn)納米發(fā)電與傳統(tǒng)應(yīng)用電路的結(jié)合，專(zhuān)利文獻(xiàn)CN104767376A通過(guò)變壓變荷電路將納米發(fā)電的高電壓和低電荷輸出特性轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗妷汉透唠姾奢敵鎏匦浴?015年，專(zhuān)利文獻(xiàn)WO2016096492A1設(shè)計(jì)使用功率轉(zhuǎn)換器根據(jù)摩擦電發(fā)電輸出在摩擦電發(fā)電與負(fù)載之間提供可控阻抗，實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)的功率轉(zhuǎn)移。
2016年，文獻(xiàn)CN106602684A設(shè)計(jì)的能量?jī)?chǔ)存方法可以提高充電速率，增大最大能量存儲(chǔ)效率達(dá)兩倍，有效的利用環(huán)境中的能量實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。2017年，文獻(xiàn)CN106602687A通過(guò)能量暫存器周期性充放電實(shí)現(xiàn)對(duì)能量存儲(chǔ)器充電，實(shí)現(xiàn)摩擦納米發(fā)電與能量存儲(chǔ)器的阻抗匹配，大幅度提升能量存儲(chǔ)效率。
2技術(shù)在變換器領(lǐng)域的應(yīng)用
自摩擦納米發(fā)電技術(shù)研發(fā)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多公司、科研院所和國(guó)內(nèi)高校都相繼推出了摩擦納米發(fā)電的相關(guān)成熟成品。從專(zhuān)利申請(qǐng)的來(lái)源國(guó)分布來(lái)看，因摩擦納米技術(shù)是由我國(guó)王中林教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)研發(fā)提出，所以我國(guó)在摩擦納米發(fā)電技術(shù)的申請(qǐng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他國(guó)家。
以專(zhuān)利申請(qǐng)的目標(biāo)國(guó)來(lái)看，因中國(guó)是其他國(guó)家關(guān)注的市場(chǎng)大國(guó)，摩擦納米發(fā)電技術(shù)的專(zhuān)利申請(qǐng)總量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他國(guó)家。從申請(qǐng)人方面來(lái)看，國(guó)內(nèi)的申請(qǐng)人主要集中在科研院所和高校，國(guó)外的申請(qǐng)人比較分散，大公司和小型公司都有申請(qǐng)，但是申請(qǐng)量都不是很多，可能是剛開(kāi)始關(guān)注到這一技術(shù)的應(yīng)用前景。
從技術(shù)的分布來(lái)看，更多的摩擦納米發(fā)電技術(shù)的申請(qǐng)都是在調(diào)整摩擦納米發(fā)電本體的結(jié)構(gòu)，從而提高發(fā)電效率，增強(qiáng)輸出功率，減少能耗。關(guān)于摩擦納米發(fā)電能量的輸出應(yīng)用方面，目前都是通過(guò)整流器連接在摩擦納米發(fā)電的輸出端，并沒(méi)有實(shí)質(zhì)的克服摩擦納米發(fā)電能量存在的缺點(diǎn)，例如，(1)內(nèi)部阻抗高容易造成與能量存儲(chǔ)單元的阻抗失配;(2)能量存儲(chǔ)效率極低，輸出不穩(wěn)定;(3)高電壓低電荷的輸出特性與傳統(tǒng)電路不想匹配。
相對(duì)而言，目前在解決以上問(wèn)題比較突出的申請(qǐng)人是北京納米能源與系統(tǒng)研究所以及皇家飛利浦有限公司，其通過(guò)設(shè)置中間電路的方式，解決上述問(wèn)題，但是申請(qǐng)量很少。而且，摩擦納米發(fā)電能夠產(chǎn)生微瓦到毫瓦量級(jí)的可持續(xù)移動(dòng)電源，隨著當(dāng)前移動(dòng)、可攜帶電子器件的快速發(fā)展，摩擦納米發(fā)電具有很大的應(yīng)用潛力。
因此，如何克服納米發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換問(wèn)題成為當(dāng)前研究的重要課題。在變換器領(lǐng)域，根據(jù)負(fù)載的需求電壓、功率的不同，能量轉(zhuǎn)換裝置也有不同的選擇。目前能量轉(zhuǎn)換裝置包括整流器、逆變器、功率因數(shù)校正單元、軟啟動(dòng)單元、正反激變換器、推挽變換器等。為了發(fā)揮摩擦納米發(fā)電的巨大優(yōu)勢(shì)，如何將其能量轉(zhuǎn)換成適應(yīng)負(fù)載不同需求的電壓，就需要切實(shí)研究能量轉(zhuǎn)換裝置與摩擦納米發(fā)電輸出能量?jī)烧咧g的差異。
具體而言，利用功率因數(shù)校正單元、軟啟動(dòng)電路可以改變傳輸能量線路上的阻抗，從而克服阻抗失配的問(wèn)題;或者發(fā)揮變壓器的優(yōu)勢(shì)，利用正反激變換器、推挽變換器等裝置，克服納米發(fā)電的高電壓低電荷輸出特性與傳統(tǒng)電路不想匹配問(wèn)題;也可以利用控制器輸出特定的PWM、PFM或者PAM波形，控制輸出能量的占空比，提高能量輸出的效率。
基于國(guó)內(nèi)目前在該領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，為了將該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，國(guó)內(nèi)公司應(yīng)盡早的在克服能量轉(zhuǎn)換問(wèn)題上開(kāi)展專(zhuān)利布局。值得注意的是，國(guó)內(nèi)高校科研院所申請(qǐng)人創(chuàng)新活躍，東南大學(xué)、北京納米能源與系統(tǒng)研究所、大連海事大學(xué)、華中科技大學(xué)等都已重視納米發(fā)電技術(shù)，國(guó)內(nèi)企業(yè)可適當(dāng)考慮加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化技術(shù)創(chuàng)新成果，提升引領(lǐng)優(yōu)勢(shì)。
3結(jié)束語(yǔ)
通本文主要對(duì)摩擦納米發(fā)電技術(shù)在變換器領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)進(jìn)行梳理，并分析未來(lái)申請(qǐng)的可能趨勢(shì)。
參考文獻(xiàn)：
[1]王中林.納米發(fā)電作為可持續(xù)性電源與有源傳感器的商業(yè)化應(yīng)用[J].中國(guó)科學(xué):化學(xué),2013.
[2]陳號(hào)天等.基于摩擦納米發(fā)電的自驅(qū)動(dòng)微系統(tǒng)[J].中興通訊技術(shù),2018.
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