Nature Commun.: 基于分形结构的高效率全电容型TENG电源管理方案

【引言】

    摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator , TENG),作为一种高效地收集低频环境机械能量的新技术,已经被证明在有关生物科学、化学、智能设备等的自供能传感系统和人类运动、海洋能、风能等机械能量收集方面拥有巨大的潜力,是实现物联网中分散式传感器能量供给的重要途经;基于摩擦起电和静电感应,TENG能轻易的产生几千伏的高电压,然而,其低的电荷和电流输出导致了非常低的的能量利用效率,因此,为实现TENG高的能量利用效率和高效的电源管理系统是迫切需要的。在以前的研究中,像变压器、机械和电子开关等方法被用于改善TENG的能量利用,达到了85%的能量利用效率,然而这些方法在有效提高能量利用效率的同时往往具有局限性,限制了其实际应用。随着能量收集技术的快速发展,传统电磁变压器渐渐难以满足各种能量转化的需求。同时随着可集成化和高频化的发展趋势,具有质量轻、无磁和高转化效率优点的开关电容换能器(Switched capacitor convertor, SCC)在无线传感网络、直流微电网等方面展现了巨大的潜力。

【成果简介】

    近日,中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和重庆大学物理学院胡陈果教授和郭恒宇教授等人在 Nature Communications 上合作发表了题为 “Switched-capacitor-convertors based on fractal design for output power management of triboelectric nanogenerator” (基于分形结构的高效率全电容型TENG电源管理方案)的研究论文,刘文林博士为第一作者,王曌博士和王高博士为共同第一作者。结合开关电容技术、TENG和分形理论,该论文提出了一种基于分形设计的开关电容换能器 (FSCC),它具有转换效率高、最小化的输出阻抗和静电电压适用性强等特点。作为摩擦纳米发电机的双功能输出电源管理系统,它在脉冲模式下可提供超过67倍的电荷提升和954w m-2的功率密度,在恒流模式下可获得超过94%的总能量传输效率。双功能输出电源管理系统的建立,对TENG电源管理向多功能输出方向发展具有重要的指导意义。在摩擦电纳米发电机上的成功应用也证实了基于分形设计的开关电容变换器在电动汽车、直流微电网等领域具有巨大潜力。

Nature Commun.: 基于分形结构的高效率全电容型TENG电源管理方案 图1 两种变压器的对比。a) 传统电磁变压器、基本开关电容换能器单元(SCC)和分形设计开关电容换能器单元(FSCC)的运行机理;b) 阶数增加下分形结构演化的示意图,在其下的是相应的分形设计的开关电容换能器的结构演化图。

Nature Commun.: 基于分形结构的高效率全电容型TENG电源管理方案图2 FSCC电源管理系统原理。a) 4=2×2 FSCC系统的初始状态;b-c) 充电/放电循环期间的降压原理示意。FSCC通过电容器串并联自动切换,实现多倍的电荷输出;d) FSCC在c中放电过程的等效图,二极管的导通压降对充电输出有重要影响。e)  24单元及不同阶数的FSCC的输出电压和f) 输出电荷。一阶FSCC具有最大的导通电压降,且输出电荷随FSCC的阶数的增大而迅速增加; g) 在这项工作中使用带有接触开关的摩擦电纳米发电机(TENG)的照片;h) 电源管理系统原理图,由TENG、半整流电路、接触开关和FSCC组成,电源管理后有脉冲和恒流两种输出方式。

Nature Commun.: 基于分形结构的高效率全电容型TENG电源管理方案图3 具有最大化脉冲输出的FSCC电源管理系统。a) 在1 Hz的驱动频率和20 cm-2面积的TENG下,每个周期中具有不同阶数和单元的FSCC的输出电荷(组件集成在面包板上);b) 每个周期中96个单元FSCC的最大输出电荷,表明达到了67.8倍电荷提升;c) FSCC的电压累积效应,即开路输出电压可随着负载电压的增加而增加。d) 在印刷电路板(PCB)上集成的6 = 2×3 FSCC的照片;e) 6单元FSCC的输出电流密度,每个周期实现14.3 A m-2的超高电流密度。f) FSCC电源管理系统每个周期的最大功率输出,获得了192倍的功率提升;g) 不同的电荷量下每个周期从TENG输入到FSCC的能量。h) 在TENG中不同电荷量下每个周期FSCC的最大输出能量;i) 不同电阻下由TENG直接驱动时的每个周期的能耗。

Nature Commun.: 基于分形结构的高效率全电容型TENG电源管理方案图4 FSCC电压管理系统的最大化恒流输出。a) 具有恒流输出的96=2×2×2×2×2×3的电源管理系统示意图;b) 用于TENGDE 具有恒流输出的标准电路;c) 在不同负载下 FSCC电源管理系统的平均电流密度和电压;d) 不同负载时的电压波形;e) FSCC电源管理系统和标准电路的平均输出功率;f) 电容充电曲线和g) 相应的累积能量。

Nature Commun.: 基于分形结构的高效率全电容型TENG电源管理方案图5 用于TENG的FSCC电源管理系统的应用。a-b) 分别用FSCC电源管理系统和TENG点亮160盏并联的5毫米直径的绿光LED灯和2盏串联的10毫米直径的绿光LED灯;c) 1赫兹频率下用脉冲模式驱动蜂鸣器;d, 用于连续驱动一个中等大小的数字游标卡尺的电压-时间曲线,e) 相应的图片,f) e中放大的区域;g) 用于驱动带有3个传感器的温湿度计的电压-时间曲线,h) g中相信的电压波形图,i) 驱动温湿度计时的实物图。

【总结】

    通过分形理论来设计的FSCC能有效地减少开关两端总输出电压降的负面影响,并将高电压和低电荷有效地转换为低压和高电荷。与传统变压器相比,FSCC的优点是无电磁噪声,输出阻抗最小,静电电压适用性高。此外,还为TENG建立了具有双功能输出模式的高效FSCC电源管理系统,通过该系统,在脉冲输出下可实现67倍以上的输出电荷提升和954 W m-2的高功率密度,并且在恒定的输出下实现超过94%能量转移效率,刷新了TENG的能量转化记录。进一步提出了电源管理后多功能输出模式的概念,以满足TENG在各种情况下的需求。这对下一步TENG的电源管理向多功能输出的发展有重要指导。同时在TENG上的成功演示也证明了FSCC在电动汽车,直流微电网等领域的巨大应用潜力。

Wenlin Liu, Zhao Wang, Gao Wang, Qixuan Zeng, Wencong He, Liyu Liu, Xue Wang, Yi Xi, Hengyu Guo, Chenguo Hu & Zhong Lin Wang Switched-capacitor-convertors based on fractal design for output power management of triboelectric nanogenerator. Nat. Commun., 2020, DOI:10.1038/s41467-020-15373-y

课题组介绍

胡陈果,重庆大学教授,教授,博士生导师,国务院特殊津贴专家, Nano Energy副主编,Nano-Micro Letters 编委。博士毕业于重庆大学,曾在美国佐治亚理工学院访学1年。主要从事低维功能材料制备和纳米器件设计及应用等方面的研究,特别是在摩擦纳米发电机及自驱动传感器方面做出了许多创新性工作。共发表SCI 论文270 多篇,被引用10000 多次 (Web of Science),其中,以通讯作者发表《科学》子刊3篇和《自然》子刊3篇,ESI 高被引15篇,H-因子50。主持国家自然科学基金5项和省部级基金4项,参加863课题1项。申请发明专利26 项,获授权21 项,获省部级自然科学一等奖和二等奖各1 项(排名第1),获得中国产学研合作创新成果优秀奖1项。

郭恒宇,重庆大学弘深青年学者特聘教授,博士生导师。博士毕业于重庆大学,美国佐治亚理工学院博士后。主要从事环境能量转化技术和传感技术。已发表SCI论文92篇,其中一作、共同一作、通讯作者论文共计41篇(其中Nature/Science子刊8篇,ESI高被引论文13篇,ESI热点论文1篇),发表于Science Robotics, Science Advances, Nature Communications, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Nano Energy等杂志。论文共计引用5070余次,H因子40,申请发明专利17项(已获权美国专利1项,中国专利7项),荣获宝钢优秀学生特等奖,重庆市优秀毕业论文,唐立新奖学金等,在摩擦纳米发电领域世界排名前25的科学个人中排名第五。

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参考文献:Nat. Commun.