南科大汪飞团队取得低频能量采集器研究新进展
2020年03月26日 科研新闻 浏览量 :3602

近日,南方科技大学深港微电子学院兼电子与电气工程系副教授汪飞课题组在低频能量采集器领域取得最新进展。该研究成果作为“精选论文(Featured Article)”发表于《应用物理快报》(Applied Physics Letters)。同时,美国物理学会的科学之光栏目(AIP SCIlight)对该研究进行了专门报道。

使用振动能量采集器收集人体运动能量代替化学电池为低功耗电子设备供电是一种环保的、可持续的方法。在实际生活中,人体运动具有频率低(小于5Hz)、振幅大等特点,传统的谐振式能量采集器受限于器件结构,往往难以有效收集频率低于20Hz的振动,这使得能量采集器在生活中的应用更多还停留在理论阶段。因此,要实现振动能量采集技术的大规模应用,推动技术转化,超低频能量采集器的研究势在必行。

针对传统能量采集器难以采集环境中大量存在的低频振动能量的特点,课题组提出了一种旋转式的电磁能量采集器设计方案,能够有效提高能量采集器的能量转换效率,并将可采集的振动频率突破性地降低到1Hz以下。

 

图1. (a) 能量采集器的三维结构示意图;(b)电磁发电部分示意图;(c)低频直线运动向高速旋转运动转换示意图;(d)螺杆与小圆片结合受力分析图

针对人体运动频率低、振幅大的振动特点,本研究提出了如图1所示的一种旋转式的电磁能量采集器。该能量采集器可分为螺杆驱动部分、棘轮离合部分以及电磁发电部分。螺杆驱动部分的核心是一根双螺旋结构的螺杆以及一个与螺杆结合在一起的带有哑铃形孔的小圆片。在螺杆的上下运动过程中,螺杆的低频直线运动被转化成小圆片的高速旋转运动,有利于振动能量的有效采集。棘轮离合部分的原理类似于一个超越离合器,能使器件在外界振动的间隙依然保持能量输出,提高能量转化效率,降低对环境中振动频率的要求。电磁发电部分中,环绕在棘轮上的八个磁铁以及对应的四个线圈可将棘轮的旋转动能有效转换成电能输出。

图2. 将该能量采集器安装在地板上,采集人体踩踏运动,一次踩踏可使器件惯性转动约20秒,输出能量85.2mJ

图3. 该能量采集器还可收集人体运动能量,点亮温湿度传感器,或者70个LED灯

研究团队对该能量采集器的部分应用场景进行了模拟。图2模拟安装在人行道上的场景,该能量采集器安装在带孔的木板上,仅需收集人体一次踩踏,可使该能量采集器棘轮旋转约20秒,输出能量可达85.2mJ。这表明该设备能够收集来往行人的运动能量为无线传感网络节点等低功耗设备供电,有望实现技术转化。图3中,该能量采集器可通过收集人体运动能量驱动温湿度传感器或点亮70个LED灯。这些应用展现了该研究广阔的应用前景。该研究还进一步探究了外界振动频率、振动幅度、磁铁个数,以及线圈匝数等对该能量采集器性能的影响。

汪飞课题组实验员张玉龙和2017级南科大-澳门大学联培博士生罗安信为本论文的共同第一作者,深港微电子学院2017级本科生王一凡、2016级本科生代翔天也为本研究作出了贡献。本研究获得了澳门大学路延教授的合作指导。课题组研究工作长期获得国家自然科学基金、广东省自然科学杰出青年基金、深圳市科创委及南山区等各项经费支持。

论文链接:

https://doi.org/10.1063/1.5142575

美国物理学会的科学之光栏目报道:

https://doi.org/10.1063/10.0000796

 

课题组介绍

汪飞课题组近年来的研究重点围绕微纳能量收集技术以及用于环境监测的自供能传感器等,已出版英文专著3章节,累计发表学术论文140余篇,其中SCI期刊论文70余篇(3篇封面,1篇能量收集工作评为ESI高被引论文),包括Applied Energy、IEEE EDL、Sensor and Actuators A&B、J.MEMS、JMM等领域一流期刊。汪飞2016年被推选为微纳传感器领域顶级国际会议Transducers 2017程序委员会委员(Transducers 2019连任),2019年获得IEEE MEMS 2020会议邀请报告(全球8名,中国大陆唯一)。

 

供稿单位:深港微电子学院

编辑:刘馨

主图设计:丘妍

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