【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備快速普及的背景下，智能電網(wǎng)、工業(yè)自動(dòng)化及城市基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域?qū)沙掷m(xù)自供能傳感解決方案的需求日益迫切。磁-機(jī)-電能量收集器(MME-EHs)因其能夠從現(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施中無(wú)處不在的環(huán)境雜散磁場(chǎng)中捕獲能量并為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電，被視為最具潛力的技術(shù)路徑之一。然而，傳統(tǒng)磁-機(jī)-電能量收集器在進(jìn)一步小型化過程中面臨顯著挑戰(zhàn)：受限于懸臂結(jié)構(gòu)的空間，其磁-機(jī)-電耦合效率不足，導(dǎo)致輸出功率與器件尺寸難以平衡，制約了其在眾多空間有限場(chǎng)景中的應(yīng)用。
針對(duì)上述問題，西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、電子科學(xué)與工程學(xué)院劉明教授團(tuán)隊(duì)提出了一種多耦合優(yōu)化策略，通過強(qiáng)化磁-機(jī)-電耦合機(jī)制，顯著提升了小型化磁-機(jī)-電能量收集器的輸出功率密度。該策略以理論研究為基礎(chǔ)，構(gòu)建了兩自由度等效彈簧-質(zhì)量模型與有限元分析模型，深入揭示了磁機(jī)耦合、機(jī)械耦合及機(jī)電耦合的協(xié)同作用機(jī)制。
基于上述機(jī)制研究，團(tuán)隊(duì)通過調(diào)整磁-機(jī)-電能量收集器中性軸的相對(duì)位置和壓電/彈性相的抗彎剛度，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)小型化磁-機(jī)-電能量收集器性能的突破性提升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該策略使磁-機(jī)-電能量收集器的輸出功率密度實(shí)現(xiàn)664%的顯著提升——在僅0.97 cm³的微型體積內(nèi)，器件可以在1 Oe工頻弱磁場(chǎng)激勵(lì)條件下，產(chǎn)生高達(dá)0.71 mW的輸出功率。其功率密度達(dá)到0.73 mW cm?³ Oe?²，較當(dāng)前最高性能的同類器件提升了124%，充分體現(xiàn)了其在弱磁場(chǎng)環(huán)境中高效捕獲能量的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。此外，基于小型化磁-機(jī)-電能量收集器，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了自取能無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的可持續(xù)微功率供應(yīng)提供了創(chuàng)新解決方案。
圖1. 小型化磁-機(jī)-電能量收集器及自供能無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)：(a)小型化磁-機(jī)-電能量收集器結(jié)構(gòu)示意圖；(b)磁-機(jī)-電能量收集器輸出功率密度和體積對(duì)比；(c)基于小型化磁-機(jī)-電能量收集器的自供能無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。
該研究結(jié)果以《顯著提高緊湊型磁-機(jī)-電能量收集器輸出功率密度的多重耦合優(yōu)化策略》(“Multiple-Coupling Optimization Strategy for Significantly Enhancing the Output Power Density of Compact Magneto-Mechano-Electric Energy Harvester”)為題，發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《能源與環(huán)境科學(xué)》(Energy & Environmental Science，IF=30.8)。西安交通大學(xué)為該論文的唯一通訊單位。西安交通大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院博士生徐奕維為論文的第一作者，劉明教授、胡忠強(qiáng)教授和吳金根副教授為論文的通訊作者，合作者包括中國(guó)電科院的郭經(jīng)紅教高、鞠登峰教高、梁先鋒博士，以及北京大學(xué)董蜀湘教授。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持。
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