發(fā)布時間：2019-07-10所屬分類：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、簡單的工藝、穩(wěn)定的性能等優(yōu)勢，該技術(shù)已廣泛應用在人體動能和環(huán)境機械能收集上。本文主要對摩擦納米發(fā)電技術(shù)在變換器領(lǐng)域?qū)＠暾堖M行梳理，并分析未來申請的可能趨勢。 【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、簡單的工藝、穩(wěn)定的性能等優(yōu)勢，該技術(shù)已廣泛應用在人體動能和環(huán)境機械能收集上。本文主要對摩擦納米發(fā)電技術(shù)在變換器領(lǐng)域?qū)＠暾堖M行梳理，并分析未來申請的可能趨勢。
【關(guān)鍵詞】摩擦納米發(fā)電,電源管理模塊,變壓變荷
能源問題和環(huán)境問題一直以來都是人們普遍關(guān)注的焦點，2006年，美國佐治亞理工學院王中林教授等成功的在納米尺度范圍內(nèi)將機械能轉(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，驅(qū)動外電路的電子發(fā)生定向移動，產(chǎn)生電能。
IDTechEx公司研究報告預測2027年摩擦電能量收集在傳感器領(lǐng)域的市場規(guī)模就將達到4億美元，是具有廣闊市場前景的新能源技術(shù)。目前，摩擦納米發(fā)電已經(jīng)可以達到500W/m2輸出功率，從指標上看可以滿足許多低功耗系統(tǒng)的應用需求。但是如果直接將摩擦納米發(fā)電應用于現(xiàn)有傳統(tǒng)電路，將極大的受限于電流，從而導致高電壓的特性無法得到充分的利用。
此外，只有將隨機的機械能轉(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，真正實現(xiàn)摩擦納米發(fā)電在生產(chǎn)、生活中的實際應用。因此，研制通用型、高效式、實用化的摩擦納米發(fā)電電源管理模塊，以及解決現(xiàn)有納米發(fā)電因為高電壓低電荷的輸出特性而與傳統(tǒng)電路無法有效結(jié)合的技術(shù)瓶頸是摩擦發(fā)電在微能源應用領(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、簡單的工藝、穩(wěn)定的性能等優(yōu)勢，摩擦納米發(fā)電已成為人們研究的重點。下面主要來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，專利文獻CN103859678A公開了為了提供穩(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，實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。
2013年，為了實現(xiàn)納米發(fā)電與傳統(tǒng)應用電路的結(jié)合，專利文獻CN104767376A通過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，專利文獻WO2016096492A1設計使用功率轉(zhuǎn)換器根據(jù)摩擦電發(fā)電輸出在摩擦電發(fā)電與負載之間提供可控阻抗，實現(xiàn)了改進的功率轉(zhuǎn)移。
2016年，文獻CN106602684A設計的能量儲存方法可以提高充電速率，增大最大能量存儲效率達兩倍，有效的利用環(huán)境中的能量實現(xiàn)自驅(qū)動系統(tǒng)。2017年，文獻CN106602687A通過能量暫存器周期性充放電實現(xiàn)對能量存儲器充電，實現(xiàn)摩擦納米發(fā)電與能量存儲器的阻抗匹配，大幅度提升能量存儲效率。
2技術(shù)在變換器領(lǐng)域的應用
自摩擦納米發(fā)電技術(shù)研發(fā)以來，國內(nèi)外許多公司、科研院所和國內(nèi)高校都相繼推出了摩擦納米發(fā)電的相關(guān)成熟成品。從專利申請的來源國分布來看，因摩擦納米技術(shù)是由我國王中林教授帶領(lǐng)的團隊研發(fā)提出，所以我國在摩擦納米發(fā)電技術(shù)的申請量遠遠高于其他國家。
以專利申請的目標國來看，因中國是其他國家關(guān)注的市場大國，摩擦納米發(fā)電技術(shù)的專利申請總量也遠遠高于其他國家。從申請人方面來看，國內(nèi)的申請人主要集中在科研院所和高校，國外的申請人比較分散，大公司和小型公司都有申請，但是申請量都不是很多，可能是剛開始關(guān)注到這一技術(shù)的應用前景。
從技術(shù)的分布來看，更多的摩擦納米發(fā)電技術(shù)的申請都是在調(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，增強輸出功率，減少能耗。關(guān)于摩擦納米發(fā)電能量的輸出應用方面，目前都是通過整流器連接在摩擦納米發(fā)電的輸出端，并沒有實質(zhì)的克服摩擦納米發(fā)電能量存在的缺點，例如，(1)內(nèi)部阻抗高容易造成與能量存儲單元的阻抗失配;(2)能量存儲效率極低，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。
相對而言，目前在解決以上問題比較突出的申請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，其通過設置中間電路的方式，解決上述問題，但是申請量很少。而且，摩擦納米發(fā)電能夠產(chǎn)生微瓦到毫瓦量級的可持續(xù)移動電源，隨著當前移動、可攜帶電子器件的快速發(fā)展，摩擦納米發(fā)電具有很大的應用潛力。
因此，如何克服納米發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換問題成為當前研究的重要課題。在變換器領(lǐng)域，根據(jù)負載的需求電壓、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，如何將其能量轉(zhuǎn)換成適應負載不同需求的電壓，就需要切實研究能量轉(zhuǎn)換裝置與摩擦納米發(fā)電輸出能量兩者之間的差異。
具體而言，利用功率因數(shù)校正單元、軟啟動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題;或者發(fā)揮變壓器的優(yōu)勢，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。
基于國內(nèi)目前在該領(lǐng)域的優(yōu)勢，為了將該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，國內(nèi)公司應盡早的在克服能量轉(zhuǎn)換問題上開展專利布局。值得注意的是，國內(nèi)高校科研院所申請人創(chuàng)新活躍，東南大學、北京納米能源與系統(tǒng)研究所、大連海事大學、華中科技大學等都已重視納米發(fā)電技術(shù)，國內(nèi)企業(yè)可適當考慮加強產(chǎn)學研合作，進一步轉(zhuǎn)化技術(shù)創(chuàng)新成果，提升引領(lǐng)優(yōu)勢。
3結(jié)束語
通本文主要對摩擦納米發(fā)電技術(shù)在變換器領(lǐng)域?qū)＠暾堖M行梳理，并分析未來申請的可能趨勢。
參考文獻：
[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)化應用[J].中國科學:化學,2013.
[2]陳號天等.基于摩擦納米發(fā)電的自驅(qū)動微系統(tǒng)[J].中興通訊技術(shù),2018.
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