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深港微电子学院汪飞课题组在Applied Physics Letters发表精选论文(Featured Article)并被美国物理学会“科学之光”专题报道

2020-03-04科研聚焦

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近日,深港微电子学院汪飞课题组在低频能量采集器领域取得突破性进展。针对传统能量采集器难以采集环境中大量存在的低频振动能量的特点,他们提出了一种旋转式的电磁能量采集器,通过将低频的直线振动转化成能量采集器转子的高速旋转运动,并设计巧妙的离合结构,有效地提高了能量采集器的能量转换效率,并将可采集的振动频率突破性地降低到了1 Hz以下。该能量采集器有望安装在人行道的地板下,收集来往行人的运动能量为无线传感网络节点等低功耗设备供电,实现技术转化。该文章于2020年2月4日作为Featured Article以标题” Rotational electromagnetic energy harvester for human motion application at low frequency”发表于Applied Physics Letters杂志(https://doi.org/10.1063/1.5142575)。同时美国物理学会的科学之光栏目(AIP SCIlight)以"Rotational energy harvester powers devices using human motions"为题目对该工作进行了专门报道( https://doi.org/10.1063/10.0000796)。

汪飞课题组的实验员张玉龙和博士生罗安信为本文的共同第一作者,来自深港微电子学院的本科生同学王一凡、代翔天也对本文做出了贡献,此外,本研究同时获得了澳门大学路延教授的合作指导。

背景介绍

使用振动能量采集器收集人体运动能量代替化学电池为低功耗电子设备供电已经被认为是一种环保的、可持续的方法。在实际生活中,人体运动具有频率低(<5Hz),振幅大等特点,传统的谐振式能量采集器受限于器件结构,往往难以有效收集频率低于20Hz的振动,这使得能量采集器在生活中的应用更多还停留在理论阶段。因此,实现振动能量采集技术的大规模应用,实现技术转化,超低频能量采集器的研究势在必行。

器件结构

针对人体运动的频率低,振幅大的振动特点,本研究提出了一种旋转式的电磁能量采集器。如图1所示,该能量采集器可分为三个部分,包括螺杆驱动部分,棘轮离合部分,以及电磁发电部分。螺杆驱动部分是将外界低频直线振动转化成器件高速旋转运动的结构,它的核心部分主要是一根双螺旋结构的螺杆,以及一个与螺杆结合在一起的带有哑铃形孔的小圆片,当外界振动作用于能量采集器时,压片采集到外界振动并带动固定在压片上的螺杆一起往下运动,而外界振动移除时,底部的弹簧可将压片及螺杆复位到初始位置。因为与螺杆的相互作用,在螺杆的上下运动过程中,螺杆的低频直线运动被转化成小圆片的高速旋转运动,高速旋转运动有利于振动能量的有效采集,为器件的高功率密度的能量输出提供了基础。棘轮离合部分包括一个与小圆片直接相连的棘爪,和一个安装在轴承上的棘轮。该部分的原理类似于一个超越离合器,当螺杆受到外界振动向下运动时,与小圆片相连的棘爪正转与棘轮相嵌合,推动棘轮加速转动;而当螺杆向上恢复初始位置时,棘爪反转与棘轮脱开,使棘轮保持惯性转动,这个部分能使器件在外界振动的间隙依然保持能量输出,提高了能量转化效率,降低了对环境中振动频率的要求。电磁发电部分则是将棘轮的转动动能转化成电能的部分,环绕在棘轮上的八个磁铁以及对应的四个线圈可将棘轮的旋转动能有效转换成电能输出。

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图1,(a) 能量采集器的三维结构示意图, (b)电磁发电部分示意图, (c)低频直线运动向高速旋转运动转换示意图, (d)螺杆与小圆片结合受力分析图

应用展示

为了展示该能量采集器的技术转化前景,该研究也对它的部分应用场景进行了展示。图2展示了作者将该能量采集器安装在带孔的木板上,模拟安装在人行道上的场景。 仅需收集人体一次踩踏,可使该能量采集器棘轮旋转约20秒,输出能量可达85.2MJ。如图3所示,该能量采集器可通过收集人体运动能量驱动温湿度传感器或点亮70个LED灯。这些应用展示了该研究广阔的应用前景。

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图2,将该能量采集器安装在地板上,采集人体踩踏运动。一次踩踏可使器件惯性转动约20秒,输出能量85.2mJ。

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图3,该能量采集器还可收集人体运动能量,点亮温湿度传感器,或者70个LED灯。

本文还进一步探究了外界振动频率,振动幅度,磁铁个数,以及线圈匝数等对该能量采集器性能的影响。

美国物理学会科学之光(Scilight)栏目专题报道

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图4,该研究作为Featured Article被美国物理学会科学之光栏目专题报道


课题组介绍

汪飞课题组近年来研究重点围绕微纳能量收集技术以及用于环境监测的自供能传感器等,已出版英文专著3章节,累计发表学术论文140余篇,其中SCI期刊论文70余篇(3篇封面,1篇能量收集工作评为ESI高被引论文),包括Applied Energy、IEEE EDL、Sensor and Actuators A&B、J.MEMS、JMM等领域一流期刊。汪飞副教授2016年被推选为微纳传感器领域顶级国际会议Transducers 2017程序委员会委员(Transducers 2019连任),2019年获得IEEE MEMS 2020会议邀请报告(全球8名,大陆唯一)。课题组研究工作长期获得了国家自然科学基金、广东省自然科学杰出青年基金、深圳市科创委及南山区等各项经费支持。


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