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清华团队发明出新设备,能同时从环境中收集机械能和磁能

2018-07-27    来源:DeepTech深科技
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[ 导读 ]:近年来,能量收集已成为低功率电子设备的一种无电池设计方向。相比寿命有限且必须定期更换或充电的电池来说,直接的能量收集设备能够延长电子设备自动运行的时间。但实现能量采集器的一大挑战便是如何为电子设备产生足够的电力,其中,设法使设备能同时收集多种能量是增大供电功率的途径之一。举例来说,虽然有各种装置可以收集机械能或磁能(这两种能量常在工业生产中同时出现),但是很少有装置可以同时收集这两种能量。
      最近,清华大学褚福磊教授的研究团队在“应用物理快报”上发表了一篇论文,介绍了一种新研制混合能量收集装置。
 
      该装置能从机械振动和磁场中收集环境中的能量,以持续为像无线传感器和心脏起搏器这类的设备供应电力,将有望取代一些低功率电子设备内电池的存在。
 
QQ截图20180727104424
 
图丨混合能量收集装置,内有由磁致伸缩或压电层材料制成的悬臂,能同时收集机械能和磁能
 
      随着科技的发展,近年来,能量收集已成为低功率电子设备的一种无电池设计方向。相比寿命有限且必须定期更换或充电的电池来说,直接的能量收集设备能够延长电子设备自动运行的时间。但实现能量采集器的一大挑战便是如何为电子设备产生足够的电力,其中,设法使设备能同时收集多种能量是增大供电功率的途径之一。举例来说,虽然有各种装置可以收集机械能或磁能(这两种能量常在工业生产中同时出现),但是很少有装置可以同时收集这两种能量。
 
      在这篇新的论文中,研究人员从理论上展示了机械能与磁能存在的一种“相互”关系,用实验证明了由磁致伸缩(magnetostrictive)或压电层(pieozoelectric laminate)材料制成的悬臂会因磁场和振动而移动,进而论证了机械能和磁能的结合使用能使能量收集装置的输出功率得到进一步的提升。
 
      褚福磊说:“众所周知,实现能量采集器的研究已经进行了数十年,这期间产生了很多有趣的设计,但每种设计都存在着一定的缺陷,不能达到某些特定的要求。因此,突破能量收集器的能量单一性尤为重要。”
 
      在研究中,研究人员发现收集装置的输出功率取决于环境中机械能和磁能的变化的频率。如果频率相同,它们之间的相位差会直接影响输出电压。而如果频率不同,该相位差则对输出电压几乎没有影响。事实上,混合两种能量所输出的电压也不再是简单的正弦波模式了。结合这些理论基础,研究人员在论文中通过实验展示了提升混合型能量收集设备的能量容量,可靠性和输出功率上限的具体方法。
 
      褚福磊说:“我们计划在未来对能量收集器进行更深入的研究。除了本次涉及到的机械能和磁能,风能、潮汐能以及更多方面的智能材料应用,将是我们未来的研究重点。”
 
关键词: 机械能 磁能 风能 潮汐能
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