程纲: 摩擦纳米发电机的无源高效电源管理

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物联网作为一个全新的领域，通过信息的传感、处理和传输，来实现物与物、物与人之间的互联。传感终端是物联网的重要构成部分，由温度、湿度、光、压力、气体等各种传感器件组成。这些小型传感器件单个耗能很小，但其数量巨大且分布广泛。因此，使用电池来驱动整个传感器网络是不现实的，不仅会带来难以追踪和回收的问题，并会产生环境污染与健康危害。因此我们急需一种能够独立为这种小型电子器件持续供电的新型能源。

摩擦纳米发电机 (TENG) 作为一种全新的能源获取方式，通过摩擦起电与静电感应的耦合，可以将环境与人体运动产生的机械能直接转化为电能。相比于传统的电磁感应发电机，其在低频机械能的收集中具有优势，并且具有结构简单、成本低廉的优点。目前，TENG不仅可以收集风能、振动、水滴、水流、波动的能量，也可以发展光、气体、声音、脉搏、温度等自驱动传感系统。TENG的输出具有电压高、电流低的特性，需要使用电源管理电路（PMC）将其电能高效存储起来，以满足小型电子器件的供电要求。但是，TENG的输出阻抗大，与PMC的阻抗不匹配，是发展高效PMC所面临的重要问题。

近日，河南大学特种功能材料教育部重点实验室程纲教授在Advanced Functional Materials上发表了题为“High energy storage efficiency triboelectric nanogenerator with unidirectional switch and passive power management circuit”的文章。报道了一种单向开关式摩擦纳米发电机 (TENG-UDS)，并将其应用到电源管理电路 (PMC) 中。TENG-UDS的等效阻抗小于1 kΩ，可以在1 kΩ到1 GΩ的负载范围内保持输出能量的最大化，不受负载电阻的影响。而且由于开关中双触头的设计，无需整流实现了单向的电学信号输出。在此基础上，设计了由电感、二极管和储能电容等简单原件组成的无源PMC。理论计算结果表明，该无源PMC的总能量存储效率可以达到75.8%。在对10 μF电容的实际充电测试中，总能量存储效率可以达到48.0%。演示结果表明，利用此PMC所存储的电能可以驱动商用电子表和高亮度的QLED器件。该项工作的第一作者为河南大学硕士研究生秦怀方，河南大学程纲教授、香港中文大学訾云龙博士、佐治亚理工学院王中林院士是本文的共同通讯作者。

本文研制了一种具有单向开关的摩擦纳米发电机，无需整流即可实现单向的电学输出。TENG-UDS可以在1 kΩ到1 GΩ的范围内保持输出电压和输出能量的最大化，不受负载电阻的影响，这和传统的PMC具有优良的阻抗失配。基于TENG-UDS，设计了一种结构简单、储能效率高的无源PMC，它由电感、二极管和电容器等无源电子元件组成。理论计算表明，此无源PMC的理论储能效率可以达到75.8%。在实际实验过程中，测得的储能效率可达48%。演示结果表明，采用此无源PMC可以驱动商用电子表和高亮度的QLED器件。基于TENG-UDS的无源PMC具有结构简单、能耗低、储能效率高等优点，为TENG的电源管理和实际应用提供了一种前景广阔的方法。

文献链接： High energy storage efficiency triboelectric nanogenerator with unidirectional switch and passive power management circuit. (Advanced Functional Materials, 2018, DOI: 10.1002/adfm.201805216)

网址链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201805216