新型弱磁能收集器高效助物聯(lián)網(wǎng)傳感器“自發(fā)電”

這種新型弱磁能收集器結(jié)構(gòu)，可使物聯(lián)網(wǎng)傳感器免于更換、維修電池等種種人工繁瑣操作，實現(xiàn)弱磁條件下的“自發(fā)電”，其輸出功率比傳統(tǒng)磁能收集結(jié)構(gòu)提高約120%。

我國“雙碳”戰(zhàn)略倡導(dǎo)綠色、環(huán)保、低碳的生活方式，這有賴于綠色能源技術(shù)的不斷發(fā)展創(chuàng)新。在我國大力發(fā)展可再生能源的當(dāng)下，磁能等現(xiàn)實環(huán)境中微能源的回收再利用引起眾多研究者的關(guān)注。

哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院與創(chuàng)新發(fā)展基地“海洋磁傳感器和探測”團(tuán)隊青年教師、副教授儲昭強(qiáng)研究設(shè)計了一種新型弱磁能收集器結(jié)構(gòu)，可使物聯(lián)網(wǎng)傳感器免于更換、維修電池等種種人工繁瑣操作，實現(xiàn)弱磁條件下的“自發(fā)電”，其輸出功率比傳統(tǒng)磁能收集結(jié)構(gòu)提高約120%。近日，該研究學(xué)術(shù)論文“兩端夾持磁—力—電俘能器件中顯著增強(qiáng)的弱磁能量回收性能”在能源材料領(lǐng)域國際著名期刊《先進(jìn)能源材料》在線發(fā)表。

回收再利用環(huán)境中的微能源

“萬物互聯(lián)”是打造智能世界的一個重要引擎，也催生了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展。目前，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的一大挑戰(zhàn)是尋找傳感通信節(jié)點的自供能技術(shù)，以支持大規(guī)模、分布式傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

針對這一技術(shù)挑戰(zhàn)，我國多個領(lǐng)域都在積極籌劃以圖破解之道。2021年國家重點研發(fā)計劃“智能傳感器”重點專項針對人體多參量生物傳感器在無線場景下自供能入網(wǎng)難題，提出研究從人體獲取能量的自供能技術(shù)；2022年國家重點研發(fā)計劃“智能傳感器”重點專項針對配用電網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知分布式傳感器的供能入網(wǎng)難題，提出了磁電耦合自供能磁場敏感元件及傳感器的項目指南；2022年國家自然科學(xué)基金也將攻關(guān)航天用微型壓電振動俘能技術(shù)納入指南范圍。

可以說發(fā)展分布式能源獲取技術(shù)，實現(xiàn)環(huán)境中微能源的回收再利用具有重要價值，也是響應(yīng)國家節(jié)能減排戰(zhàn)略，助力碳達(dá)峰的有效舉措。

對于環(huán)境微能源的回收利用，在振動能、輻射能和近場電磁能等眾多可收集能源中，電力電纜、工業(yè)機(jī)械和家用電器等產(chǎn)生的雜散磁能由于其頻率固定和分布廣泛，比風(fēng)能等低頻能量獲取效率更高，一直受到研究人員的關(guān)注。特別是在建設(shè)智能電網(wǎng)的背景下，對輸電線路狀態(tài)參數(shù)的在線監(jiān)測與故障診斷迫切需要從架空電纜中俘獲能量而構(gòu)建可持續(xù)的自供能傳感網(wǎng)絡(luò)。

就如小說《三體》中描繪的那個美麗新世界，杯子無需電源、電池，可以自加熱，空中的飛車也不用電池，卻能不停地飛，永遠(yuǎn)也不會沒有電，都是由于電源用微波或其他形式的電磁震蕩來發(fā)電而形成的無線供電場。這種技術(shù)其實就是目前用于手機(jī)無線充電的技術(shù)。最初，人們也把目光投向了這種傳統(tǒng)線圈式感應(yīng)取電裝置。但是這種技術(shù)有著體積大、安裝不便和難以耐受短時大電流沖擊等突出問題。

因而，人們開始研究一種由磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為電能（MME）的俘能裝置，這一技術(shù)有望成為下一代低頻磁場能量收集的新選擇。

儲昭強(qiáng)介紹，這種新型俘能器件是利用磁扭矩效應(yīng)以及磁滯伸縮效應(yīng)，再利用壓電效應(yīng)實現(xiàn)機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換，其優(yōu)勢在于無需線圈式感應(yīng)取電裝置所需的閉合磁路，且可以實現(xiàn)更高效率的能量轉(zhuǎn)換和對強(qiáng)電流脈沖的更高耐受度。

適用于低場能量收集的新方法

儲昭強(qiáng)從2016年開始接觸振動和磁場的能量收集技術(shù)。從2016年到2021年，一直致力于基于傳統(tǒng)懸臂梁式諧振結(jié)構(gòu)的材料和器件方面的研究。這是一種一端固定而另一端自由，且在自由端附加質(zhì)量塊（磁鐵）的能量收集器結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由自由端磁性質(zhì)量塊提供驅(qū)動扭矩，同時貢獻(xiàn)了超過90%的等效質(zhì)量。在這種情況下，如果要維持諧振器50赫茲（Hz）的諧振頻率不變，則難以單純通過增加自由端磁鐵的質(zhì)量來增強(qiáng)磁—力耦合性能。也正是這個原因，目前大多數(shù)研究的懸臂梁式磁—機(jī)—電器件僅局限于對強(qiáng)磁場，即大于5奧斯特（Oe）磁場的能量收集。世界衛(wèi)生組織指出公眾可接觸的50/60Hz交變磁場安全閾值為1Oe，而且環(huán)境中雜散磁場的大小一般也低于此參考值。因此也有必要探索適應(yīng)于低場能量收集的新原理和新方法。

基于“磁—機(jī)—電俘能器件如何降低自由端磁性質(zhì)量塊的等效質(zhì)量”這一思考，儲昭強(qiáng)大膽創(chuàng)新，提出了一種兩端夾持梁的設(shè)計思路。這種設(shè)計使磁—機(jī)—電俘能器件的兩端都固定起來，采用一種二階振動模式，降低了中心磁性質(zhì)量塊的動能，從而減小了其對諧振系統(tǒng)等效質(zhì)量的貢獻(xiàn)，在增加磁鐵體積的情況下大大提升了系統(tǒng)在50Hz弱場條件下的輸出性能。

實驗表明，在弱磁環(huán)境的相同激勵條件下，該能量收集器在同等單位時間內(nèi)可輸出的電能是傳統(tǒng)懸臂梁式結(jié)構(gòu)的2倍多，完全可以使沒有安裝電池的傳感器正常工作并與手機(jī)終端進(jìn)行通信連接。

儲昭強(qiáng)表示：“在科研工作中，起到關(guān)鍵作用的往往就是一個小小的，甚至不起眼的設(shè)計方法。但是這個方法的來源一定是基于長期的研究和思考。”

未來或用于水下小型仿生平臺

“目前，這種對于磁場的能量收集技術(shù)在應(yīng)用上還有一定的局限性，科學(xué)總是解決了一個問題就會帶來很多新問題的過程。”儲昭強(qiáng)向科技日報記者表示，未來，他將主要考慮進(jìn)一步優(yōu)化兩端夾持磁—機(jī)—電俘能器件在材料方面、幾何方面的參數(shù)設(shè)計，進(jìn)一步實現(xiàn)增加適應(yīng)的磁場變化范圍和微型化的集成，為研制自供能磁場敏感元件，電網(wǎng)輸變電智能感知與配用電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系識別等應(yīng)用提供關(guān)鍵技術(shù)。

儲昭強(qiáng)同時表示，團(tuán)隊將結(jié)合哈爾濱工程大學(xué)船?？蒲刑厣珒?yōu)勢，深入研究水下小型仿生平臺如水下機(jī)器魚、無人水下航行器等基于超聲和磁場的無線供能技術(shù)，這不僅能解決小型仿生平臺等能源“取”的問題，同時解決能源“供”的問題。

儲昭強(qiáng)所在的哈爾濱工程大學(xué)水聲學(xué)院與創(chuàng)新發(fā)展基地“海洋磁傳感器和探測”團(tuán)隊于2017年成立并不斷發(fā)展壯大，團(tuán)隊瞄準(zhǔn)水下目標(biāo)多傳感探測的基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)和工程應(yīng)用，全面開展了基礎(chǔ)磁材料、磁傳感器研制、水下信息感知和處理等技術(shù)研究。（本報記者 李麗云 通訊員 霍 萍）