李惠鈺
脈衝式摩擦納米發電機可驅動電子設備。
作為一種全新的能源技術，基於摩擦起電與靜電感應效應耦合的摩擦納米發電機（TENG）可以直接將環境中微小的機械能轉換為電能，例如可以收集空氣或水的流動、引擎的轉動，甚至是人在走路、說話、心跳、肌肉收縮等運動中由摩擦產生的能量。
隨著電子信息技術的發展，電子器件和傳感器的體積和功耗越來越小，而TENG這種顛覆性技術的出現，也使得未來很多裝置不再需要電池，從其工作的環境中獲取能量就可以實現自己發電。
但是，由於TENG本身高電壓、低電流和交流脈衝的輸出特性，目前還沒有一種TENG能夠獨立、持續、穩定地為電子器件供電，都需要電源管理電路和能量存儲器件來實現穩定的輸出。
為此，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室/材料學院程綱教授課題組設計了一種基於脈衝式摩擦納米發電機（Pulsed-TENG）的通用無源電源管理電路，輸出阻抗得到了最大程度的降低，並始終保持輸出能量的最大化，很好地解決了傳統TENG存在的輸出阻抗高等問題。
該研究成果近日已發表於國際期刊Nano Energy上。
優勢：輸出阻抗為零
TENG與電磁發電機相比，其在較低的工作頻率下具有較高的能量轉化效率；與壓電納米發電機相比，其輸出電壓及能量提升了3~4個數量級，所用的材料和能量來源也更加廣泛。將TENG與電子器件在具體的工作環境中有效地結合起來，發展自驅動的電子器件或系統，是可穿戴電子器件以及物聯網中傳感器的發展方向。
實際上，就工作原理來說，Pulsed-TENG與傳統的TENG是相同的，都是摩擦起電效應和靜電感應效應的耦合。但是，Pulsed-TENG卻具有一個顯著的優勢——輸出阻抗為零。
「傳統的TENG具有輸出電壓高、電流低、輸出阻抗很高（兆歐姆量級）和輸出為交流脈衝形式的特點。」論文第一作者、河南大學特種功能材料教育部重點實驗室/材料學院顧廣欽博士告訴《中國科學報》，傳統TENG的等效電路是一個恆壓源和一個可變電容器的串聯，電容器的變化速率由TENG的運動頻率決定。但是，TENG通常在低頻下工作（幾赫茲至幾十赫茲），這使得在較小的負載時，其電學輸出僅受控於運動頻率，而與輸出負載無關，這也是造成TENG輸出阻抗高的根本原因。
針對上述問題，程綱課題組在TENG的輸出端引入同步觸發的機械開關，研發了Pulsed-TENG。據介紹，Pulsed-TENG的等效電路是一個恆壓源、一個恆定電容器和一個開關的串聯，其電學輸出與TENG的運動頻率無關，僅受輸出負載的控制，因此其輸出阻抗為零。這也使得Pulsed-TENG可以保持輸出電壓和能量的最大化，而不受外界阻抗的影響。
「這與普遍存在的TENG高內阻的特點有所不同，為未來該領域的研究帶來了新的啟示。」中國科學院北京納米能源與系統研究所研究員張弛對《中國科學報》評價道，TENG具有較大的功率密度，但受高輸出阻抗特性的制約，其對儲能器件直接充電效率極低，也無法直接為用電器件供電，而Pulsed-TENG有效的電源管理技術的進展與突破，有望解決TENG實用化的技術瓶頸。
從「有源」到「無源」
在此之前，很多小組發展了各式各樣的有源電源管理電路，極大提高了TENG對電容或電池充電的能量存儲效率。但是，由於TENG的輸出阻抗大，與電源管理電路之間存在嚴重的阻抗不匹配，因此需要在電源管理電路中引入有源器件，這也增大了電路的複雜性和能耗。
對此，程綱課題組製備了具有單向輸出的Pulsed-TENG，並利用其阻抗匹配和單向輸出的特點設計出無源的電源管理電路。不僅簡化了電路結構，而且在實際的充電過程中獲得了48.0%的總能量存儲效率。
但是，顧廣欽告訴記者，由於單向開關的結構複雜，其使用環境受到較大的制約，難以與轉盤式等多種廣泛使用的TENG相匹配，因此無法用於收集環境中形式多樣的機械能。因此，他們還需要開發一種與Pulsed-TENG相匹配的普適的無源電源管理電路，實現對TENG輸出能量的高效管理和存儲。
在本次工作中，程綱課題組就設計了一種基於Pulsed-TENG的具有普適性的無源電源管理電路。在模擬中，他們發現，匹配阻抗為0.001Ω時，其輸出電壓及能量仍可以達到最大值。這說明了Pulsed-TENG的輸出能量可以保持最大化，不受負載電阻的影響，很好地解決了TENG與電源管理電阻阻抗不匹配的問題。
顧廣欽表示，他們通過模擬和實際測試對基於靜電振動開關的Pulsed-TENG的無源電源管理電路的能量存儲效率進行了研究。模擬結果顯示，其總能量存儲效率可以達到83.6%，在實際的充電測試中，能量存儲效率為57.8%。應用此電路存儲的電能可以驅動商用計算器與溫度濕度傳感計等電子器件。
對此，張弛認為，這一數據也代表著其設計的電源管理電路對於實際的產業化應用已經是可以採用的策略。此外，通過簡單的電路設計實現有效的電源管理，方法簡單易行，為未來陣列化和大規模應用提供了理論基礎。
產業化仍面臨挑戰
由於解決了TENG輸出阻抗高的問題，Pulsed-TENG將在基於TENG的自驅動能量包、自驅動傳感器及其系統和網絡等方面有重要的應用前景。
「但就目前來說，Pulsed-TENG要想實現產業化應用，還有很多問題需要解決。首先就面臨多模式、高性能Pulsed-TENG的設計和製備問題。」顧廣欽坦言。
對此，程綱課題組已經展開研究。顧廣欽表示，他們將從Pulsed-TENG的設計出發，集成現在TENG領域所有的技術手段和方法，提高TENG介電摩擦層的電荷密度，提高其輸出特性，降低摩擦阻力和磨損，並提高其耐久性、穩定性。另外還將開發多種多樣的機械開關，使其適用於更多模式和更多種類的Pulsed-TENG，從而拓展Pulsed-TENG的應用範圍。
不僅如此，顧廣欽表示，現在的電源管理電路只是將TENG輸出的電能高效地存儲在電容中，但是，電容只是電能的暫存裝置，不能對外輸出穩定的電壓。因此，還需要發展更高效、多功能的電源管理電路，不僅僅能夠輸出穩定的電壓，還要對輸出電能進行管理和分配，以滿足不同傳感器的需求。
「每項新發明的產業化應用總是存在著諸多困難，這是新技術走向消費者必然要經歷的過程。」在張弛看來，基於TENG的空氣凈化器、汽車尾氣處理裝置和夜跑發光鞋等已經成功孵化。目前，Pulsed-TENG在實驗階段已經取得了很多的成果，市場化的關鍵就是找到真正需要此類發明的地方，即「痛點」。
為此，張弛建議從Pulsed-TENG收集低頻、低振幅的特點出發，尋找需要此類應用的地方。另外，為了儘快實現項目落地，初期的樣機設計也必不可少，他建議在實驗室成果報導的同時，做好樣機的研發和推廣。
責編：黎曉珊