中科院北京纳米能源所张弛课题组：基于滚动接触起电的微风能驱动的自主式无线风速仪

第一作者：付贤鹏，许韶行

通讯作者：张弛，王中林

通讯单位：中国科学院北京纳米能源与系统研究所

【研究背景】

风能作为一种分布广泛的可再生能源，在电力供应和应对能源危机的过程中发挥着越来越重要的作用。据统计，全球风力资源储备丰富，其中可开采部分每年达5.3 × 10¹³ kW h。风速信息的监测对风能资源的勘测以及天气预报具有重要的意义。风速仪作为一种重要的风速监测设备，其往往工作在无人值守的艰巨环境，需要持续、可靠的长久供能。截止到目前，风速仪主要采用寿命有限的电池供电，极大地增加了维护成本和环境污染。因此，从工作环境中俘获风能为风速仪供能是一种最优的持续供能方案。

基于麦克斯韦位移电流第二项的摩擦纳米发电机既可以作为风能采集器也可以作为主动式风传感器，为风能的俘获与传感提供了新思路。作为风能采集器，摩擦纳米发电机具有高功率密度、结构紧凑等优点，可高效的收集风能。但是，摩擦纳米发电机输出信号随机且具有较大的内阻，需要经过能量管理才可以满足用电器件对稳定的直流电的需求。作为主动式风传感器，摩擦纳米发电机可以直接将风力信息转化为电信号而不需要外部电源供电。然而，传感信号的处理及发射依然需要外部电源供电。如果基于摩擦纳米发电机的主动式风传感器可以完全由基于摩擦纳米发电机的风能采集器供电，建立一个自驱动系统，则有望实现自驱动风速仪的永久续航。

【工作介绍】

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所张弛研究员指导的团队设计了一种基于行星滚动摩擦纳米发电机的微风能驱动的自主式无线风速仪，同时实现了风能的俘获以及风速的传感。利用行星滚柱结构降低了摩擦副之间的摩擦力，使得该风速仪在低于2 m/s的风速下即可启动。行星滚柱摩擦纳米发电机被分成能量输出端和信号输出端两部分：能量输出端输出的电能通过电源管理模块转化为稳定的2.5 V直流电压以驱动后端器件；信号输出端输出的电信号的频率用于传感风速。当风速为5 m/s时，风速仪可以每2分钟向周围10米范围内发射监测的风速数据；当风速减小，风速仪的储能下降时，其可以自主的调节发射频率以提高续航能力。该工作通过集成基于摩擦纳米发电机的风能采集器和主动式风速传感器，实现了一个完全自驱动的无线传感系统，在分布式微纳能源、无人值守的环境监测以及物联网等领域具有广泛的应用前景。相关研究成果以“Breeze-wind-energy-powered autonomous wireless anemometer based on rolling contact-electrification”为题，发表在ACS Energy Letters上（DOI:10.1021/acsenergylett.1c00704）。

【图文简介】

要点1. 自主式无线风速仪的结构设计。自主式无线风速仪包括：行星滚动式摩擦纳米发电机 (PR-TENG)、能量管理模块 (EMM)、信号处理模块 (SPM) 及无线发射模块。为了同时实现风能的俘获及风速的传感，PR-TENG的输出端被分成了能量输出端 (E-TENG) 及信号输出端 (S-TENG) 两部分。E-TENG与EMM相连接，将转化的电能进行管理、存储及稳压以供能后端用电器件；S-TENG与SPM相连接，对输出的电信号频率进行解算、计数以传感风速信息；无线发射模块电连接于信号处理模块的后端，用于无线发射监测数据。得益于行星滚柱结构，极大的降低了定子和转子之间的接触摩擦力，使得风速仪在低于2 m/s的风速下既可以被启动。 

图1. 自主式无线风速仪结构及原理示意图. A. 自主式无线风速仪构成及工作流程图; B. 行星滚动式摩擦纳米发电机能量输出端（E-TENG）及信号输出端（S-TENG）结构示意图; C. 行星滚动式摩擦纳米发电机电荷转移原理图; D. E-TENG和S-TENG输出开路电压; E. E-TENG和S-TENG输出短路转移电荷量.

要点2. 稳定2.5 V直流电压的输出。EMM与能量输出端电连接，将发电机输出的随机、脉冲式的电信号转化为稳定的2.5 V直流电压以驱动后端电子器件。EMM由Buck电路、储能电容及调节器组成。E-TENG输出的电能经Buck处理后储存在储能电容中，当储能电容的电压达到3.3 V时，调节器开始工作，EMM就可以为后端用电器件提供一个稳定的2.5 V直流电压。储能电容被充电到3.3 V所需的时间随着风速的增大而缩短；EMM提供的额定功率随着风速的增大而增大。 

图2. E-TENG电输出特性. A. E-TENG输出开路电压随风速变化规律图; B. E-TENG输出短路电流随风速变化规律图; C. E-TENG输出瞬时峰值功率随风速变化规律图; D. EMM等效电路图; E. 储能电压及稳定电压波形图; F. 15 mF电容充电到3.3 V所需时间随风速变化规律图; G. 不同负载下2.5 V直流稳压的持续时间; H. EMM额定功率随风速变化规律图.

要点3. 风速信息的传感机制。SPM与信号输出端相连接，对输出的电信号频率进行解算、计数以传感风速信息。SPM由功能电路和单片机（MCU）组成。S-TENG输出的电信号先经过功能电路进行稳压及分压处理后，再进入MCU，每当功能电路输出的电压超过比较器的参考电压，计数器的计数就增加1，通过计数电信号的频率以传感风速。通过计数电信号的频率而不是测试电压的峰值传感风速，可以有效的避免因峰值波动对传感精度造成的影响，该风速仪的灵敏度可以达到15.55 Hz·s/m。同时，风速仪也具有优异的稳定性，在5m/s的风速下连续测试6×10⁶个循环周期，输出电信号的频率可以稳定在83.9 Hz。 

图3. 自主式无线风速仪风速监测原理及特性. A. 风速传感原理示意图; B. S-TENG、信号调节器及MCU输出信号对比图; C. 输出信号频率随风速变化规律图; D. 自主式无线风速仪工作稳定性示意图.

要点4. 自主式无线风速仪的应用。通过将行星滚动式摩擦纳米发电机、能量管理模块、信号处理模块及无线发射模块一体化集成，在模拟的实验环境下测试了风速仪的性能。当储能电容的电压达到3.3 V，系统被启动以后，风速仪可以根据电容中剩余电能的多少，自主的调节风速监测和无线发射的频率。当风速为5 m/s时，风速仪可以每2分钟向10米范围内无线发射监测数据。 

图4. 自主式无线风速仪应用示意图. A. 自主式无线风速仪潜在应用场景; B. 每次发射数据时储能电容的电压变化; C. 风速和电压的接收数据; D. 无线接收终端的显示界面.

【意义分析】

综上所述，该工作基于行星滚动式摩擦纳米发电机，既作为风能收集器，又作为风速传感器，结合能源管理模块、信号处理模块、无线发射模块，研制了一个完全自驱动的自主式无线风速仪。该风速仪可以每2分钟在10米范围内无线发射监测数据，在微风能的驱动下，该风速仪可以永久、自主的发送传感数据，在分布式微纳能源、无人值守的环境监测以及物联网等领域具有广泛的应用前景。

Xianpeng Fu, Shaohang Xu, Yuyu Gao, Xiaohan Zhang, Guoxu Liu, Han Zhou, Yi Lv, Chi Zhang*, and Zhong Lin Wang*, Breeze-Wind-Energy-Powered Autonomous Wireless Anemometer Based on Rolling Contact-Electrification, ACS Energy Lett. 2021, DOI:10.1021/acsenergylett.1c00704

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c00704

作者简介

张弛研究员，国家基金委“优青”获得者，北京市青年拔尖团队带头人、科技新星，中国科学院青年创新促进会会员，中国新锐科技人物。主要从事纳米发电机和自驱动微系统领域研究，开创了摩擦电子学新研究方向。发表论文130余篇，引用5000多次；获授权国内外专利40多项；出版中英文专著2章；做国际会议邀请报告30余次。主持国家和省部级科研项目10余项。

课题组主页：http://www.tribotronics-lab.cn/