研究背景
- 大量无线传感器节点为物联网提供了环境条件、设备状态等重要信息，从而使物联网能够为人类的生活、工作和产业提供便利。然而，传统的有线供电方式限制了传感器的灵活性、广泛部署和实际应用。此外，电池供电模式面临着寿命有限、维护成本高以及在恶劣环境下难以更换电池等挑战。为了解决上述挑战，利用环境能量实现无线传感器节点的原位供能是一种极具创新性的合理方法。在工厂、桥梁、运输设备等场所，存在丰富且未被利用的振动能量，可以将其转化为电能并为无线传感器节点供电。然而，振动源的随机性和多样性给通过不同方法采集能量带来了挑战。因此，进一步探索高性能且宽频带的振动能量采集器以实现传感器节点的原位供电至关重要。
文章概述
针对以上问题，大连海事大学徐敏义教授团队研发了一种高性能、可堆叠的仿蹦床式摩擦电振动能量收集器（T-TVEH），它能有效地收集超宽带振动能量，为传感器节点进行原位供电。通过独特的结构设计和材料选择，T-TVEH 在工作带宽和功率密度方面相比于近年来的振动能量收集研究均实现突破。具体来说，T-TVEH的工作带宽和峰值功率密度分别为 192 Hz 和 5.9 W·m-2，比之前的相关研究分别高出156%和59.2%。基于T-TVEH的优异性能，构建了一个用于监测机械状况的无线传感器节点。通过该无线传感器节点成功获取了温度、湿度和频率信息，并将其传输到1000米外进行终端显示及报警，传输距离与相关研究相比提高了9倍。同时，还实现了对实际舶用柴油机的完全自供电运行状态远距离监测和异常报警。
文章以“High performance and stackable Trampoline like-Triboelectric Vibration Energy Harvester for in-situ Powering Sensor Node with Data Wirelessly Transmitted over 1000-m“为题发表在国际著名期刊《Advanced Energy Materials》上，大连海事大学博士研究生于洪勇、硕士研究生席子岳为该论文的共同第一作者，大连海事大学徐敏义教授、杜太利副教授为该论文通讯作者。
图文导读
Figure 1. T-TVEH的结构设计及应用场景图。
Figure 2. T-TVEH的运动特性和工作原理。
Figure 3. 附加质量对T-TVEH的影响。
Figure 4. 结构参数对T-TVEH性能的影响。
Figure 5. T-TVEH的电输出和电容充电性能研究。
Figure 6. T-TVEH的实际应用演示。
总结
- 总之，本文介绍了一种高性能、可堆叠的仿蹦床式摩擦电振动能量收集器（T-TVEH），它能有效地收集超宽带振动能量，然后为传感器节点提供原位能量供应。通过理论和实验分析，对T-TVEH的结构参数进行了优化。结果表明，独特的结构设计和材料选择使T-TVEH能够在8-200 Hz的超宽带范围内产生出色的电输出性能。值得注意的是，即使在频率极高（200 Hz）、振幅极低（0.019 mm）的情况下，T-TVEH仍能保持79.3 μA和238.6 nC的出色输出。T-TVEH 的峰值功率密度达到5.9 W·m-2，与近期相关研究的最佳结果相比提高了59.2%。基于T-TVEH的卓越性能，构建了一个用于监测机械状况的完全自供电无线传感器节点。温度、湿度和振动频率被成功捕获，并通过无线传感器节点传输到1000米外，与相关研究的最佳结果相比提高了9倍。最后，实现了对实船柴油机的完全自供电无线运行监测和异常报警。总之，这项工作提出的无线传感器节点原位供能解决方案在物联网领域具有广阔的应用前景。
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