西南交通大学Nano Energy：一种自驱动无线智能传感器

【引言】

列车的安全检测如今逐渐成为了高速列车发展一个重要的方面。但是对传感器了通讯电子设备来讲，传统的检测手段需要外部电源，如锂电池、电容等，来为其进行供电。随着时间的推移，这种传统的供电方式越发不实用，并且会有大量复杂的布线。不仅如此，由于电池寿命等问题，还会产生潜在的环境危害。从这方面来讲，一种理想的解决方案就是用一种能量收集装置来代替电池，来实现自驱动的安全监测系统。

【成果简介】

近日，西南交通大学杨维清教授（通讯作者）发明了一种自驱动无线智能传感器，创新性地利用磁悬浮原理巧妙地结合了摩擦发电机和电磁发电机。一方面多孔PTFE作为摩擦发电机的摩擦层增强了摩擦电效应，另一方面，磁悬浮的巧妙设计可以有效地减小运动过程中的能量损耗，更大程度地将机械能转换为电能。在电性能输出方面，仅用350秒就可以将0.1F的超级电容从0V充到3V，同时也可以有效地为锂电池充电。通过阵列的复合发电机可以持续地为无线智能传感器供电，并实时地将数据传输到智能手机上，实现了物联网（IoT）技术在高速列车检测系统中的应用。这为列车的安全监测提供了一个新的思路，并实现了物联网与高速列车的一个有机结合。相关工作以题为“Self-Powered Wireless Smart Sensor Based on Maglev Porous Nanogenerator for Train Detection System”发表到Nano Energy上Doi: 10.1016/j.nanoen.2017.05.018。

【图文导读】

图一 应用于列车检测系统的自供电无线智能传感器的结构设计

a. 在列车运行过程中利用从列车振动中转换的能量。

b. 列车转向架图片。

c. 安装在列车转向架上的复合发电机阵列。

d. 传感器图片。

e. 电源管理电路。

f. 一个完整的复合发电机图示和详细的具体结构。

g. SEM图像显示聚四氟乙烯聚合物多孔结构。

图二 发电机电能产生过程

a. 包含TENG和EMG在内的复合发电机原理图

b. COMSOL多物理场模拟电磁发电过程

c. COMSOL多物理场模拟摩擦发电过程

图三 发电机的输出电性能

a. TENG不同的外部负载电阻上的输出电压和电流信号

b. EMG不同的外部负载电阻上的输出电压和电流信号

c. TENG在不同的外部负载电阻上的功率密度

d. EMG在不同的外部负载电阻上的功率密度

e. TENG在干燥与清水冲洗后的环境下的短路电流和开路电压

f. EMG在干燥与清水冲洗后的环境下的短路电流和开路电压

g. 在干燥环境下用发电机点亮的LED灯泡

h. 在清水冲洗后的环境下用发电机点亮的LED灯泡

图四 发电机为锂电池和超级电容充电的性能

a. 电源管理的电路图。

b. 为不同的超级电容充电的电压曲线。

c. 图(b)中的放大图。

d. 为锂电池充电的电压曲线。

e. 复合发电机不同部分的质量占比。

图五 复合发电机驱动无线智能传感器的展示

a. 复合发电机阵列图片

b. 复合发电机阵列可以被弯曲

c. 传感器的图片

d. 发电机连接在7mF的超级电容上为无线传感器供电的电压曲线

e. 图(d)的部分放大图

f. 传感器开始工作的正常状态

g. 对传感器进行加热后的状态

h. 对传感器进行加湿后的状态

【小结】

该工作展示了一个复合发电机，包括一个TENG和一个EMG，用来收集火车的振动能量，以持续地为无线智能传感器供电。无线智能传感器可以将数据传输到手机上，显示温度和湿度。更重要的是，MPNG还可以为照明提供电力，作为应急电源。这种设计的MPNG有可能在没有外部电源的情况下进行无线监控，尤其是在列车监控系统中。

文献链接：Self-Powered Wireless Smart Sensor Based on Maglev Porous Nanogenerator for Train Monitoring System (Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.05.018)

本文由西南交通大学杨维清老师组靳龙同学投稿（点我查看课题组简介），新能源组 深海万里 编辑整理。

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