重庆大学物理学院胡陈果教授课题组在Cell子刊Joule上发表研究成果

2021年1月15日，重庆大学物理学院胡陈果课题组发表研究论文“Ultrahigh electricity generation from low-frequency mechanical energy by efficient energy management” （通过高效能量管理方案从低频机械能中获得超高电输出）。该论文以重庆大学唯一单位和通讯单位在Cell核心子刊Joule（影响因子29.155）上发表。重庆大学博士生王曌和博士生刘文林为共同第一作者，重庆大学胡陈果教授和刘安平副教授为共同通讯作者。

摩擦纳米发电机(TENG)，在低频环境机械能量的收集发电方面具有独特的优势，是实现物联网中分散式传感器能量供给的重要且有效的途经，目前，TENG技术已经成为能源领域重要的发展方向。然而， TENG具有的高电压（kV），小电流（μA）特点，导致了其在实际应用中输出能量和能量利用效率并不高，因此，迫切需要通过高效的能量管理方案，进一步发挥TENG在实际应用中的重要作用。在以前的研究中，有报道TENG的能量管理工作，比如像利用变压器、机械和电子开关等方法，而这些方法在有效提高能量利用效率的同时具有明显的局限性。例如，仅仅使用变压器对低频的机械能的转换效率并不高，并且适用于TENG的变压器未曾被研究；机械开关随TENG运动存在明显扰动；电子开关往往需要额外的电源供其工作，并且一般不能承受高电压。

该工作提出了一种高效、低成本、便捷的能量管理方案，该方案包括自动Spark开关和与TENG参数匹配的变压器。其中，Spark开关开启电压可调，且将TENG收集的低频能量以快速放电形式转换为高频能量。在2.4 mm 空气间隙下，TENG可提供高达7.5 kV电压开启Spark开关，远高于传统能源管理工作。该工作同时给出了针对TENG这类随机低频的发电机的普适变压器设计流程。研究结果表明，使用该能量管理电路，0.01 m-2的TENG在脉冲模式下功率密度可达11.13 kW m-2，刷新了能量管理输出的记录；在恒流模式下获得了超过1 mW/Hz的平均功率输出，1赫兹工作频率时可轻易地驱动4´4的传感器阵列，展示了其在超高电压下优异的能量管理效果。同时，在经历55,000次数的运动周期，输出性能仍保持有99.96%。该工作报道的普适、高效、稳定且低成本的能量管理方案，在摩擦电纳米发电机上的成功应用，显示该能量管理方案在物联网分散式供能方面的巨大潜力，推动了TENG未来广泛的商业化应用进程。文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S254243512030622X

该研究得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的支持。 

图1，高电压TENG的能源管理的设计与性能， A，能量管理策略，首先提高低频TENG的电压（7.5 kV），以击穿Spark开关，该能量再经参数匹配的变压器高效转换，可以驱动４´４并联的温湿度计。B，能量管理后的电流密度，C，负载电阻上的电压及平均功率，D，平均功率与其他能量管理工作的对比。

课题组主页：http://www.phys-sssl.cn/home