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能量采集新方法各显神通

2020-09-16 11:06:43 Bill Schweber 阅读:
无论是因为别无选择,还是因为“不花钱(或只花很少的钱)”而产生的巨大吸引力,能量采集的诱惑一直都存在,在实现能量采集的过程中人们充满创意,例如从铁锈、木材、织物甚至夜间向空中散发的热辐射中采集能量。

我在最近的一篇文章“Niche Energy Harvesting: Intriguing, Innovative, Probably Impractical”中提到的一些研究项目,成功地从铁锈、木材、织物甚至夜间向空中散发的热辐射中采集能量——这些都不是太阳、热、振动和流体等常规意义上的能源。7eWednc

无论是因为别无选择,还是因为“不花钱(或只花很少的钱)”而产生的巨大吸引力,能量采集的诱惑一直都存在,在实现能量采集的过程中人们充满创意。最近几个月,我看到了一些新颖的能量采集方法。我不敢说这些方法会被人们长期使用,尤其是对于一些受限的应用(不用电池,对能量采集的需求压倒一切),我甚至不敢说这些方法一定有用,但它们的确会激励人们探索。7eWednc

我最近看到了三种能量采集方法:7eWednc

环境湿度:马萨诸塞州大学阿默斯特分校的研究小组利用微生物地杆菌(Geobacter)产生的导电蛋白质纳米线来采集空气湿气(甚至在干燥气候下)所产生的能量。其电极连接到蛋白质纳米线上,通过大气中的水蒸气产生电流。7eWednc

有些基于湿气的能量采集技术没有持续的转换机制,因此只能间歇性地爆发能量(通常在一分钟之内)。而这种薄膜器件能够在环境条件下产生连续电力,可在7µm厚的薄膜上产生约0.5V的持续电压,电流密度约为17µA/cm27eWednc

当薄膜暴露在空气的湿气中时,内部会形成自我保持的水分梯度,这就是薄膜器件的能量来源(图1)。薄膜的底部位于一个电极上,另一个更小的电极(仅覆盖部分纳米线薄膜)位于膜的顶部,薄膜从大气中吸收水蒸气。由于蛋白质纳米线能导电,再结合其表面化学特性,加上薄膜的纳米线之间的细孔,便具备了在两个电极之间产生电流的条件。7eWednc

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图1:使用纳米线器件供电。(图片来源:马萨诸塞大学阿默斯特分校/姚和洛夫利实验室)7eWednc

在薄膜厚度约7µm、环境相对湿度约50%的条件下,Vo(黑色线)和Isc(红色线)随器件尺寸变化的情况如图1a所示。7eWednc

在薄膜尺寸约1mm²、环境相对湿度约50%的条件下,Vo(黑色线)和Isc(红色线)随薄膜厚度(d)变化的情况如图1b所示。7eWednc

将5个纳米线器件分别串联和并联后得到的Vo(黑色线)和Isc(红色线),与单个纳米线器件的Vo(灰色线)和Isc(紫色线)进行比较,如图1c所示。7eWednc

纳米线器件给电容器充电后为LED(左)或LCD面板(右)供电,如图1d所示。7eWednc

图1e显示了由纳米线器件供电的Ge/Si纳米线晶体管的源漏极电流(Ids)与栅极电压(Vgs)的关系及其电路图。7eWednc

图1a和b中的误差线代表多次测量的统计平均值的标准差,其中n为3或更大。7eWednc

相关的详细信息请参见发表在Nature杂志上的论文“Power generation from ambient humidity using protein nanowires”,以及“Supplementary information”。7eWednc

降雪:由加州大学洛杉矶分校(UCLA)领导的多大学合作团队发明了一种雪基摩擦电纳米发电机雪腾(snow TENG),该技术利用了降落的雪带正电并释放电子的原理。7eWednc

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图2:降雪发电机(雪腾)的工作机制和有限元(FEM)仿真。(图片来源:加州大学洛杉矶分校)7eWednc

图2显示了雪腾采用三种不同操作模式(包括敲击、滑行和降雪)时的工作机制,以及不同操作模式下的FEM仿真结果。当雪落在有机硅薄膜上时,会产生摩擦电荷。 7eWednc

研究人员发现有机硅产生的电荷比其他任何材料都多,他们采用3D打印构建了包含一个有机硅层和一个电极的器件(图3),这样就能够精确地控制电极和摩擦带电层的设计和沉积,从而得到柔性好、可拉伸且不含金属的雪腾。7eWednc

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图3:雪腾的3D打印过程和架构及其光学和机械性能。(图片来源:加州大学洛杉矶分校)7eWednc

图3a显示的是雪腾打印过程的示意图。图3a-i显示了导电聚合物电极的打印,以及墨水的化学成分;图3a-ii显示使用紫外光固化有机硅墨水打印摩擦起电层,以及有机硅墨水的化学成分;图3b为器件的结构示意图,显示了紫外光固化有机硅的表面微图,左侧的SEM(扫描电子显微镜)图为不同放大倍数下的表面微图(比例尺分别为100µm和50µm);图3c显示了雪基摩擦发电机的工作原理;图3d中的图片显示有机硅层的透明度很高,透过有机硅层可以看清背景中的麦克马斯特大学logo;图3e显示雪腾处于不同的拉伸情况下。7eWednc

在特定条件下,该器件可产生高达0.2 mW/m2的瞬时输出功率密度,高达8V的开路电压和40 μA/m2的电流密度。若想了解相关理论、制造和测试的详细信息,请参见发表在Nano Energy上的论文:“All printable snow-based triboelectric nanogenerator”。7eWednc

人体汗液:加州理工学院(Caltech)的一个团队开发了一种可以采集能量的电子皮肤(e-skin),它由柔软的橡胶制成,可以直接贴在皮肤上。这种电子皮肤采用嵌入式传感器和一个有源电路,涵盖整个信号链,包括模拟前端(AFE)。AFE通过蓝牙,监控、检测并报告一些健康衡量指标,例如心率、体温和代谢副产物。7eWednc

其独特的生物燃料电池(BFC)由人体自身产生的废物——皮肤汗液来提供动力。研究团队称之为由汗液供电的集成电子皮肤(PPES),可以在皮肤上对代谢产物(例如尿素、NH4⁺、葡萄糖和pH)和皮肤温度进行多重检测,并将采集到的数据无线传输到用户设备,如图4所示。7eWednc

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图4:由汗液供电的集成电子皮肤(PPES)。(图片来源:加州理工学院)7eWednc

图4a显示集成电子皮肤利用汗液的不同成份来采集能量,它还包含一个皮肤传感器,通过蓝牙进行通信;图4b显示放在手臂上的PPES贴片,尺寸约为2×3cm;图4c所示的生物燃料电池-生物传感器贴片非常柔软、舒适且使用方便(旁边的黑线长度为1cm,是参考比例尺寸);图4d显示柔性电路衬底上有传感器、采集器、IC和PPES所需的其他组件;图4f显示了一个完整的PPES,其所有组件和布线都封装在保护层之间。7eWednc

电子皮肤中内置的燃料电池吸收乳酸,并将其与大气中的氧气结合,生成水和另一种代谢产物丙酮酸。生物燃料电池采用碳纳米管和复合网格组成的3D结构,其中碳纳米管含有铂/钴催化剂,复合网格则含有用于分解乳酸的酶。这个采集电路在0.5V时的典型输出约为2mW,可产生高达3.5mW/cm2的功率密度,开路电压为600mV。燃料电池的电力由电容器累积,可在1.5至3.8V之间充电。7eWednc

该团队的论文“Biofuel-powered soft electronic skin with multiplexed and wireless sensing for human-machine interfaces”发表在AAAS Science Robotics上,内容涵盖其概念、实现、原理、BOM及多个变量的测试结果,还包含详实的补充材料。7eWednc

我相信还有其他一些巧妙的能量采集方法。有些方法是通用的,但可能不太切合实际或效率低下;而有一些能量采集方法是专门针对特定应用的,很可能会获得成功。读者朋友,你是否曾想到过、见过、甚至用过一些非比寻常的能量采集方法?7eWednc

(原文刊登于EETimes美国版,参考链接:Energy Harvesting Options Continue to Expand,由Jenny Liao编译。)7eWednc

本文为《电子技术设计》2020年9月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里7eWednc

本文为电子技术设计原创文章,未经授权禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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