能量收集器的案例
北工大：柔性壓電能量收集器獲重要進展！
近日，北京工業(yè)大學材料學院、新型功能材料教育部重點實驗室侯育冬教授團隊，成功開發(fā)出一種具有優(yōu)異發(fā)電特性和長時間服役穩(wěn)定性的懸臂梁式柔性壓電能量收集器。相關研究成果發(fā)表于能源領域著名學術刊物Nano Energy（IF=13.14）上。
文章鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518305676
隨著各類小型電子設備以及物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，迫切需要開發(fā)高性能、輕量化，可持續(xù)性強的能量供應器件。在目前各種形式的能量收集器中，柔性壓電能量收集器依托優(yōu)異的力學性能，良好的環(huán)境適應性以及突出的能量收集性能有望集成于個人電子設備以及無線傳感器中，持續(xù)進行能量供應。如何基于填料設計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化在提升柔性壓電能量收集器發(fā)電功率的同時，保持長時間的工作穩(wěn)定性是本方向的研究難點。
最近，侯育冬教授團隊率先開發(fā)出一種具有優(yōu)異服役特性的極性納米棒填料織構(gòu)化柔性壓電復合材料。在能量收集材料設計理論指導下，以熔鹽化學合成的具有單軸強極性的BaTi2O5納米棒為填料，聚偏氟乙烯PVDF為基體，通過熱壓取向工藝將BaTi2O5納米棒定向排列于聚合物基體中，構(gòu)建出具有高換能系數(shù)的織構(gòu)化柔性BaTi2O5/PVDF壓電復合材料。
研究發(fā)現(xiàn)，以該材料制作的懸臂梁式柔性壓電能量收集器，在嚴苛的振動條件下（10g加速度）表現(xiàn)出高能量密度27.4 μW/cm3。更為重要的是，即使經(jīng)過長時間的振動周期循環(huán)（~330,000），柔性壓電能量收集器仍能保持其發(fā)電特性而不劣化。
展開 《Adv Mater》：一種完全柔軟和可伸縮的電雙層能量收集器！
圖3.EDLC能量收集器特性。A-D)輸出電流作為機械輸入的電極面積(A)、電解質(zhì)濃度(B)、振幅(C)和頻率(D)的函數(shù)。E)裝置的電路模型，其中符號A表示短路電流的測量。F)試驗結(jié)果與模型結(jié)果的比較。模型數(shù)據(jù)符合線性方程，電流=0.0308×電極面積。G)水下軟EDLC能量收集器。
這項工作解決了傳統(tǒng)的可變面積靜電能量收集器的一些顯著缺陷。仍然存在挑戰(zhàn)和機遇：(1)隨著時間的推移，水凝膠中的水可能會蒸發(fā)，這可能會惡化凝膠的機械性能，并改變凝膠的離子導電性。以前對基于凝膠的設備的研究已經(jīng)通過使用氯化鋰鹽緩解了這一問題，這種鹽顯示了在環(huán)境條件下將水保留在凝膠中的能力，其相對濕度低至11.3%。離子凝膠也可能有助于解決這一挑戰(zhàn)。(2)已知鎵可以氧化，從而形成一種薄的鈍化氧化物。本文們觀察到，經(jīng)過數(shù)千個周期后，其潛力略有下降，但隨著時間的延長，可能會有更多顯著的問題。原則上，人們可以探索其他材料，如離子液體或電池電解液，以延長操作電位。
展開 基于comsol的能量收集器仿真研究 ￥50
案例描述：圓柱繞流是流體力學中一個重要的現(xiàn)象，可將圓柱繞流產(chǎn)生的卡門渦街現(xiàn)象應用到實際的工程中——能量收集器。本案例通過利用comsol研究卡門渦街產(chǎn)生的能量是如何轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)的動能，在仿真中利用率comsol的流固耦合模塊和動網(wǎng)格功能。
幾何模型：
仿真結(jié)果：
操作步驟：
1.打開comsol mutiphysics，點擊model wizard→2d→fluid flow→fluid-structure interaction（fsi），點擊add→study，選擇preset studies→time dependent，點擊done。
基于comsol的能量收集器仿真研究 ￥50
案例描述：圓柱繞流是流體力學中一個重要的現(xiàn)象，可將圓柱繞流產(chǎn)生的卡門渦街現(xiàn)象應用到實際的工程中——能量收集器。本案例通過利用comsol研究卡門渦街產(chǎn)生的能量是如何轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)的動能，在仿真中利用率comsol的流固耦合模塊和動網(wǎng)格功能。
幾何模型：
仿真結(jié)果：
操作步驟：
1.打開comsol mutiphysics，點擊model wizard→2d→fluid flow→fluid-structure interaction（fsi），點擊add→study，選擇preset studies→time dependent，點擊done。
基于comsol的能量收集器仿真研究 ￥50
案例描述：圓柱繞流是流體力學中一個重要的現(xiàn)象，可將圓柱繞流產(chǎn)生的卡門渦街現(xiàn)象應用到實際的工程中——能量收集器。本案例通過利用comsol研究卡門渦街產(chǎn)生的能量是如何轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)的動能，在仿真中利用率comsol的流固耦合模塊和動網(wǎng)格功能。
幾何模型：
仿真結(jié)果：
操作步驟：
1.打開comsol mutiphysics，點擊model wizard→2d→fluid flow→fluid-structure interaction（fsi），點擊add→study，選擇preset studies→time dependent，點擊done。
廣西大學聶雙喜教授《Materials Today》：液體能量收集與利用
有效利用來自液體的能量將促進可再生能源領域的發(fā)展和創(chuàng)新，符合碳中和所提出的要求，也將有效促進造紙工業(yè)的高端化和綠色化發(fā)展。在眾多的液體能量收集的技術中，液-固摩擦納米發(fā)電機具有器件簡易、輸出高、材料選擇廣泛等優(yōu)勢。為了進一步提升摩擦納米發(fā)電機的輸出性能，研究人員開發(fā)了許多先進方法。其中，化學功能化策略不僅在增加電荷密度方面具有很大優(yōu)勢，而且拓寬了摩擦電材料的選擇范圍，進一步拓寬了液-固摩擦起電的應用領域。同時，從分子水平改變材料的摩擦電特性，這種改性是持久和穩(wěn)定的。此外，化學功能化策略在弱化液-固摩擦起電方面也具備優(yōu)勢，液-固摩擦起電的弱化可以有效減弱靜電效應帶來的危害。因此，系統(tǒng)地總結(jié)化學功能化策略在強化和弱化液-固摩擦起電過程中的建設性作用及其相關的應用是有必要的。
基于此，廣西大學聶雙喜教授課題組系統(tǒng)性地綜述了基于化學功能化策略調(diào)控液-固接觸起電的最新研究進展。介紹了化學功能化策略在提高液-固接觸起電性能的研究進展。同時，重點關注了化學功能化策略在弱化固體材料和液體材料起電性能的最新進展，并進一步闡述了弱化固-液摩擦起電在自供電化學傳感、物理傳感、靜電效應消除等方面應用的重要意義。最后討論了當前該領域內(nèi)化學功能化在固體表面改性和液體分子修飾方面存在的問題及挑戰(zhàn)。
圖1 液-固接觸帶電研究中的典型例子和發(fā)展時間線。
圖2 液-固接觸起電未來的發(fā)展趨勢。
展開 王中林院士團隊：基于彈簧輔助多層結(jié)構(gòu)的球形摩擦納米發(fā)電機高效水波能量收集
函數(shù)發(fā)生器的水波頻率和輸出幅度分別固定為1.0 Hz和2.5 V.
圖6 a）在水波運動下由TENG陣列照亮的數(shù)十個具有“TENG”圖案的LED的照片。b）整流輸出電流和c）TENG陣列在各種水波頻率下的輸出功率阻抗曲線。 d）通過對470μF的電容充電，在水波運動下由TENG陣列驅(qū)動的電子溫度計的照片。 e）TENG陣列在水波下對470μF電容器的充放電過程。 f）由TENG陣列充電的各種電容器的電壓。
研究人員設計并制造了一種基于彈簧輔助多層結(jié)構(gòu)的球形TENG，用于收集水波能量。在水波觸發(fā)下，TENG依靠Al電極和FEP薄膜之間的接觸和分離工作。研究了由函數(shù)發(fā)生器控制的水波頻率和幅度對單球TENG器件輸出性能的影響。并且通過調(diào)整多層結(jié)構(gòu)中銅塊的質(zhì)量和基本單元數(shù)量可以進一步優(yōu)化性能。該研究成功制備了一種用于有效收集水波能的球形摩擦納米發(fā)電機，通過結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化，其輸出電流和輸出功率較以往工作均有較大幅度提高，顯示了納米發(fā)電機在大規(guī)模收集水波能中的潛在應用價值。
來源：高分子科學前沿
展開 多倫多大學劉新宇教授團隊《iScience》綜述：類皮膚水凝膠及其在可穿戴傳感，軟體機器人以及能量收集等方面的應用
應用方面，文章主要介紹了目前離子水凝膠在可穿戴物理和化學傳感，軟體機器人柔性電極及可拉伸傳感，和柔性自發(fā)電能量收集等方面的進展。最后，作者討論了離子水凝膠存在的挑戰(zhàn)和機遇， 包括多模態(tài)傳感，新型加工制備方案，結(jié)合大數(shù)據(jù)和水凝膠離子計算的下一代智能，以及可拉伸的儲能設備。
圖1 人體皮膚示意圖及類皮膚水凝膠目前的進展和應用總結(jié)
圖2 雙網(wǎng)絡水凝膠的代表結(jié)構(gòu)和他們的合成策略。
圖3 基于導電聚合物的水凝膠
圖4 新型導電凝膠
圖5 水凝膠粘貼
圖6 水凝膠生物機械傳感器
圖7 水凝膠溫度傳感器
圖8 水凝膠生物化學傳感器
圖9 水凝膠多模態(tài)傳感器
圖10 基于離子凝膠的軟體機器人
論文第一作者應斌斌博士曾在麥吉爾大學和多倫多大學聯(lián)合培養(yǎng)，目前正在麻省理工學院機械工程系從事博士后研究工作。研究方向為ingestible bioelectronics and biosensors。
多倫多大學劉新宇教授為本文通訊作者。多倫多大學劉新宇教授團隊長期致力于微納和軟體機器人學、柔性電子器件、微流控器件與系統(tǒng)等機理研究以及應用開發(fā)。該研究受到了加拿大自然科學和工程研究理事會和加拿大創(chuàng)新基金會的資助。
展開 使用體液當燃料：無電源醫(yī)療設備或成“永動機”
隨著醫(yī)學植入技術的不斷發(fā)展，植入式醫(yī)療器材也正在使用中，例如心臟起搏器等。雖然植入式醫(yī)療器材開始越做越小，但是仍然需要傳統(tǒng)電池為這些設備供能。但您有沒有想過，傳統(tǒng)電池含有對人體不利的有毒化學物質(zhì)，而且經(jīng)常更換電池也會造成疼痛和不得不進行危險的外科手術。不過近日一款“生物超級電容器”的新型儲能系統(tǒng)誕生了，這套系統(tǒng)可以讓植入式醫(yī)療器材不再依賴電池供能。
這套儲能系統(tǒng)是由加利福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA）和康涅狄格大學的一組研究人員設計的，使用了生物液體電解質(zhì)（如血清和尿液）進行供電，它與能量收集器一起工作，能夠?qū)崃亢瓦\動轉(zhuǎn)換成存儲在超級容器中的電力。
研究團隊的伊斯蘭·莫薩（Islam Mosa）解釋說：“與使用化學反應的電池不同，新一代生物超級電容器通過利用血清中容易獲得的離子或帶電分子來儲存能量。”這種生物超級電容器由人類蛋白質(zhì)分層的石墨烯電極組成，研究團隊表示生物電容器裝置的尺寸僅為1微米厚，具有柔韌性，可以抵抗身體扭曲和轉(zhuǎn)動的機械應力，并具有與目前用于起搏器的鋰薄膜電池相當?shù)?em>能量密度。雖然超級電容器尚未廣泛地納入醫(yī)療植入器件，但研究人員聲稱該技術具有這種用途的潛力。
UCLA研究人員Maher El－Kady 說：“將能量收割機和超級電容器相結(jié)合，可為終身植入式設備提供無窮無盡的能量，可能永久不需要更換。”
展開 南開大學張振杰課題組JACS：高分子共混制備水汽驅(qū)動器用于水收集和空氣發(fā)電
該能量轉(zhuǎn)化器執(zhí)行10個循環(huán)而不會出現(xiàn)明顯的能量衰減。
圖3 ZPF-2-Co構(gòu)筑的能量轉(zhuǎn)化器運行示意和產(chǎn)電性能
本論文的第一作者為南開大學化學學院博士生楊銘方，通訊作者是南開大學化學學院張振杰研究員。該工作得到了國家自然科學基金和111工程的支持。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1021/jacs.1c01831
相關進展
南開大學張振杰課題組《Nat. Commun.》
基于高能量密度非對稱電容器的可編織自充電織物
采用整流橋?qū)ENG輸出電壓和電流進行整流后對非對稱超級電容器進行充電。b) 普通織物中編入形狀為英文字母(BINN)的能量收集紗線和ASC紗線。c)自充電系統(tǒng)的等效電路，利用能量采集織物TENG對ASC進行充電，然后為電子產(chǎn)品供電。d)不同運動頻率的TENG面料對兩個串聯(lián)ASC纖維充電電壓。e) 以4Hz的運動頻率輕拍TENG面料給兩個串聯(lián)連接的ASC紗線充電，然后驅(qū)動手表工作。
全文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.201806298
來源：高分子科學前沿
基于振動信號小波包提取和短時能量分析的高壓斷路器合閘同期性的研究
基于振動信號小波包提取和短時能量分析的
高壓斷路器合閘同期性的研究
馬 強，榮命哲, 賈申利
（西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西省 西安市 710049）
STUDY OF SWITCHING SYNCHRONIZATION OF HIGH VOLTAGE BREAKERS
BASED ON THE WAVELET PACKETS EXTRACTION ALGORITHM
AND SHORT TIME ANALYSIS METHOD
基于振動信號小波包提取和短時能量分析的高壓斷路器合閘同期性的研究.pdf
楊征保團隊《AFM》：跺跺腳就能發(fā)電！一種柔性透氣壓電復合織物
圖5 壓電復合織物的壓電性能
為了評估這種壓電復合織物在人體運動監(jiān)測和能量收集中的潛在應用，研究人員將其作為鞋墊墊于鞋底，從而將人體行走產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為電信號。在此基礎上，研究人員構(gòu)建了一種基于該種壓電復合織物的計步器，用于計算步行時的步數(shù)。在2分鐘內(nèi)，該計步器成功記錄了63步，同時將其顯示在手機屏幕上。
此外，由這種壓電復合織物產(chǎn)生的電信號還可用于人運動時的能量收集。在36 s 的踩踏過程中，電容器中存儲的電壓增加到 3.1 V。而存儲在電容器中的能量可進一步用于為電子表供電，使其連續(xù)工作 16 秒。該實驗可充分證明開發(fā)的壓電復合織物能夠用作可穿戴或便攜式電子設備的電源，展示了其在生物能量收集和自供電設備中的潛在應用。
小結(jié)
如上所述，該團隊報告了一種新的設計和制造策略，通過形成具有多級結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷復合織物來實現(xiàn)壓電復合材料的均衡性能。壓電陶瓷骨架與聚合物填料的結(jié)合以及三維互聯(lián)多級結(jié)構(gòu)的設計有利于力的傳遞和緩解應力集中，大大提高了該復合材料的機械和壓電性能。這種設計多級結(jié)構(gòu)和制造功能性壓電陶瓷織物的概念為提高傳統(tǒng)壓電材料的壓電性能提供了新的思路，而制備在透氣性、壓電性、柔性和韌性方面具有均衡性能的能量收集器的新策略也將促進可穿戴設備中柔性能量收集器的發(fā)展。
該論文的其他作者有龍之河、張卓敏、潘其其及劉世源，合作者為港城大助理教授駱小偉。本項目得到了國家自然科學基金（no. 11902282）和香港城市大學（no. 11212021、no. 21210619）的支持。
課題組網(wǎng)站：https://www.cityu.edu.hk/mne/stvl/
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。
展開 