无线电能传输专题研讨会--樊康旗--超低频机械能的收集与应用.pdf

超低频机械能的收集与应用超低频机械能的收集与应用樊康旗西安电子科技大学Email:第六届电工学科青年学者学科前沿研讨会第六届电工学科青年学者学科前沿研讨会2019.1.121.13,南宁，中国目录目录1.个人简介个人简介2.超低频机械能的收集与应用超低频机械能的收集与应用3.已取得的结果已取得的结果4.研究展望研究展望致谢致谢1.个人简介个人简介教育经历教育经历:1998.92007.7 西安电子科技大学西安电子科技大学 机械电子工程机械电子工程（学士）（学士）2002.92005.3 西安电子科技大学西安电子科技大学 机械制造及其自动化（硕士）机械制造及其自动化（硕士）2003.92007.12 西安电子科技大学西安电子科技大学 机械工程（博士）机械工程（博士）工作经历工作经历:2005.3今今西安电子科技大学西安电子科技大学机电工程学院机电工程学院培训经历培训经历:2011.72012.7 Kansas State University 访问学者访问学者 2014.62015.6 University of Alberta 访问学者访问学者研究经历研究经历:微纳米力学：微纳米力学：2002.92007.12 西安电子科技大学西安电子科技大学（博士阶段）（博士阶段）接触力学、表面力学、分子动力学等接触力学、表面力学、分子动力学等 纤维素生物燃油：纤维素生物燃油：2011.72012.7 Kansas State University纤维素生物质的超声加工、纤维素生物燃油的全生命周纤维素生物质的超声加工、纤维素生物燃油的全生命周期评估（能耗、温室气体排放、成本、原料等）期评估（能耗、温室气体排放、成本、原料等）环境机械能的收集与应用：环境机械能的收集与应用：2012.7今今机械振动能、生物机械能、超低频机械能；机械振动能、生物机械能、超低频机械能；压电效应、电磁感应、混合式压电效应、电磁感应、混合式2.超低频机械能的收集与应用超低频机械能的收集与应用超低频机械能源超低频机械能源:人体运动人体运动:0.8 1.2 Hz,4 km/h 10 km/hFoot:0.2 g(9.8 m/s2)several gArm:0.1 g several g 车辆车辆13 Hz,0.3 g 人行桥人行桥1 Hz 波浪波浪 1 Hz etc.Ylli et al.,Smart Mater.Struct.,2015,24:025029.Sue et al.,Appl Energ.,2012,93:390-403.Tang et al.,J.Intell.Mater.Syst.Struct.,2012,23:1433-1449.Siddique,et al.,Energ.Convers.Manage.,2015,106:728-747.2.1 Frequency up-conversionApproaches:1)Impact-type mechanical contact or impact2)Non-impact-typeMagnetic couplingTang et al.,J.Intell.Mater.Syst.Struct.,2012,23:1433-1449;Pillatsch et al,.Smart Mater.Struct.,2012,21:115018 Gu et al.,Smart Mater.Struct.,2011,20:045004;Kwon et al.,Appl.Phys.Lett.,2014,104:113904.Design 1Fan et al.,Appl.Phys.Lett.,2015,106:223902xyzA1A2B2B1Cylindrical track0481216354045505560A1 without couplingA1 with A2 fixedA1 with A2 movableA2 without couplingA2 with A1 fixedA2 with A2 movable35 40 45 50 55 601612840Frequency(Hz)Peak voltage(V)A1 without couplingA1 with A2 stuckA1 with A2 movableA2 without couplingA2 with A1 stuckA2 with A1 movable01234-20-1001020Time(s)Voltage(V)One sway cycleVoltage(V)Time(s)012340153045607590A1A2B1B20 15 30 45 60 75 9043210Angle()Voltage(V)A1 A2B1 B2SwingVibrationDesign 2Piezoelectric beamMagnetic massSleeveBallCrossbeamxyzToward toePillar(a)246801234Voltage(V)Velocity(km/h)246800.10.20.30.4Power(mW)Open-circuit voltageOutput powerFan et al.,Appl.Phys.Lett.,2017,110:143902012345-3036Time(s)Acceleration(g)012345-8-4048Time(s)Acceleration(g)012345-3000300600Time(s)Force(N)012345-20-1001020Time(s)Voltage(V)(a)(b)(c)(d)IIIIIIIVVVIOne gait cycleSelected cycle2.2 单稳态单稳态非线性非线性Tang et al.,J.Intell.Mater.Syst.Struct.,2012,23:1433-1449.Zhou et al.,Nonlinear Dyn.,2016,86:1599-1611.NSPiezoelectric patchMetal layerdDStopperx12NSNS(a)Fan et al.,Appl.Phys.Lett.,2018,112:123901Design 1DdEndmost magnetSpringCoilStopperTubeCenter magnetzFan et al.,Energy,AcceptedDesign 23.已取得的结果已取得的结果双向压电式发电机双向压电式发电机Fan et al.,Energy.Convers.Manage.,2014,86:561-567Fan et al.,Chinese Physics B,2014,23:084501频率提升频率提升Fan et al.,Energy.Convers.Manage.,2015,96:430-439Proof mass with embedded magnetPiezoelectric cantilever beamAccelerometerFerromagnetic ballCylindrical track多向、频率提升多向、频率提升Fan et al.,Appl.Phys.Lett.,2015,106:223902Triaxial accelerometerPEHPressure sensorInsole(b)脚部运动能收集脚部运动能收集Fan et al.,Appl.Phys.Lett.,2017,110:143902StopperPiezoelectric beamMagnetsComputerOscilloscopeFunction generatorPower amplifierHarvester&shakerAccelerometer(b)单稳态单稳态Fan et al.,Appl.Phys.Lett.,2018,112:123901Fan et al.,MSSP,2019,117:594-608电磁式电磁式Fan et al.,Energy,OnlineFan et al.,Energy,Accepted混合式一混合式一Fan et al.,Smart Mater.Struct.,2018,27:085001xyd0ABL0l0lCR0混合式二混合式二Fan et al.,Appl.Energ.,2018,216:8-204.研究展望研究展望超低频（超低频（10 Hz）机械能的高效收集与转换）机械能的高效收集与转换目前功率水平：0.1 mW-实用化的应用需0.5 mW功率高效的动力学耦合结构，频率提升，多种转换机制的结合等多方向机械能的收集与转换多方向机械能的收集与转换目前大多数俘能器或发电机只对单向的激励敏感；多向机械能的收集利用方式，避免多向激励间的干扰抵消工作频带的拓宽工作频带的拓宽调频、阵列、多自由度、非线性（单稳态、双稳态、三稳态）、非线性能量阱等能源管理电路能源管理电路高效的抽取电能（SSHI）、整流、调整（升压、降压等）、存储、调动（何时调用工作）、显示（充电状态）等。系统集成系统集成与各种微小型器件集成，如温度传感器、湿度传感器、计步器、智能表、穿戴器件、结构监控传感器等。多种机械能多种机械能机器运转：振动、旋转、摆动等；风致振动：卡门涡街、无线能量传递（亥姆霍兹谐振器）等；波浪能：江、河、湖、海的波浪运动（蓝色能源）等；噪音：城市大街的噪音；生物机械能：人体、陆地动物、飞鸟、鱼类等；废弃机械能：火车、汽车驶过桥梁产生振动等。多种能源多种能源太阳能、热能（热梯度）、生物能（生物反应）等的结合。致谢致谢基金项目基金项目 国家自然科学基金（51777147）的大力支持 各位评审专家对研究工作的认可和推荐研究生研究生谭钦雪，刘少华，蔡美玲，张艺伟，刘朝辉，王连松其他合作者其他合作者朱应敏，张大兴，王卫东Thanks for your attention!Kangqi F