高效利用弱磁能：新型能量收集器助力物聯網傳感器“自發電”

我國“雙碳”戰略倡導綠色、環保、低碳的生活方式，這有賴于綠色能源技術的不斷發展創新。在我國大力發展可再生能源的當下，磁能等現實環境中微能源的回收再利用引起眾多研究者的關注。

哈爾濱工程大學水聲工程學院與創新發展基地“海洋磁傳感器和探測”團隊青年教師、副教授儲昭強研究設計了一種新型弱磁能收集器結構，可使物聯網傳感器免于更換、維修電池等種種人工繁瑣操作，實現弱磁條件下的“自發電”，其輸出功率比傳統磁能收集結構提高約120%。近日，該研究學術論文“兩端夾持磁—力—電俘能器件中顯著增強的弱磁能量回收性能”在能源材料領域國際著名期刊《先進能源材料》在線發表。

“萬物互聯”是打造智能世界的一個重要引擎，也催生了物聯網技術的快速發展。目前，發展物聯網的一大挑戰是尋找傳感通信節點的自供能技術，以支持大規模、分布式傳感網絡的構建。

針對這一技術挑戰，我國多個領域都在積極籌劃以圖破解之道。2021年國家重點研發計劃“智能傳感器”重點專項針對人體多參量生物傳感器在無線場景下自供能入網難題，提出研究從人體獲取能量的自供能技術；2022年國家重點研發計劃“智能傳感器”重點專項針對配用電網絡狀態感知分布式傳感器的供能入網難題，提出了磁電耦合自供能磁場敏感元件及傳感器的項目指南；2022年國家自然科學基金也將攻關航天用微型壓電振動俘能技術納入指南范圍。

可以說發展分布式能源獲取技術，實現環境中微能源的回收再利用具有重要價值，也是響應國家節能減排戰略，助力碳達峰的有效舉措。

對于環境微能源的回收利用，在振動能、輻射能和近場電磁能等眾多可收集能源中，電力電纜、工業機械和家用電器等產生的雜散磁能由于其頻率固定和分布廣泛，比風能等低頻能量獲取效率更高，一直受到研究人員的關注。特別是在建設智能電網的背景下，對輸電線路狀態參數的在線監測與故障診斷迫切需要從架空電纜中俘獲能量而構建可持續的自供能傳感網絡。

就如小說《三體》中描繪的那個美麗新世界，杯子無需電源、電池，可以自加熱，空中的飛車也不用電池，卻能不停地飛，永遠也不會沒有電，都是由于電源用微波或其他形式的電磁震蕩來發電而形成的無線供電場。這種技術其實就是目前用于手機無線充電的技術。最初，人們也把目光投向了這種傳統線圈式感應取電裝置。但是這種技術有著體積大、安裝不便和難以耐受短時大電流沖擊等突出問題。

因而，人們開始研究一種由磁能轉化為機械能再轉化為電能(MME)的俘能裝置，這一技術有望成為下一代低頻磁場能量收集的新選擇。

儲昭強介紹，這種新型俘能器件是利用磁扭矩效應以及磁滯伸縮效應，再利用壓電效應實現機械能與電能之間的轉換，其優勢在于無需線圈式感應取電裝置所需的閉合磁路，且可以實現更高效率的能量轉換和對強電流脈沖的更高耐受度。

儲昭強從2016年開始接觸振動和磁場的能量收集技術。從2016年到2021年，一直致力于基于傳統懸臂梁式諧振結構的材料和器件方面的研究。這是一種一端固定而另一端自由，且在自由端附加質量塊(磁鐵)的能量收集器結構。這種結構由自由端磁性質量塊提供驅動扭矩，同時貢獻了超過90%的等效質量。在這種情況下，如果要維持諧振器50赫茲(Hz)的諧振頻率不變，則難以單純通過增加自由端磁鐵的質量來增強磁—力耦合性能。也正是這個原因，目前大多數研究的懸臂梁式磁—機—電器件僅局限于對強磁場，即大于5奧斯特(Oe)磁場的能量收集。世界衛生組織指出公眾可接觸的50/60Hz交變磁場安全閾值為1Oe，而且環境中雜散磁場的大小一般也低于此參考值。因此也有必要探索適應于低場能量收集的新原理和新方法。

基于“磁—機—電俘能器件如何降低自由端磁性質量塊的等效質量”這一思考，儲昭強大膽創新，提出了一種兩端夾持梁的設計思路。這種設計使磁—機—電俘能器件的兩端都固定起來，采用一種二階振動模式，降低了中心磁性質量塊的動能，從而減小了其對諧振系統等效質量的貢獻，在增加磁鐵體積的情況下大大提升了系統在50Hz弱場條件下的輸出性能。

實驗表明，在弱磁環境的相同激勵條件下，該能量收集器在同等單位時間內可輸出的電能是傳統懸臂梁式結構的2倍多，完全可以使沒有安裝電池的傳感器正常工作并與手機終端進行通信連接。

儲昭強表示：“在科研工作中，起到關鍵作用的往往就是一個小小的，甚至不起眼的設計方法。但是這個方法的來源一定是基于長期的研究和思考。”

“目前，這種對于磁場的能量收集技術在應用上還有一定的局限性，科學總是解決了一個問題就會帶來很多新問題的過程。”儲昭強向科技日報記者表示，未來，他將主要考慮進一步優化兩端夾持磁—機—電俘能器件在材料方面、幾何方面的參數設計，進一步實現增加適應的磁場變化范圍和微型化的集成，為研制自供能磁場敏感元件，電網輸變電智能感知與配用電網絡拓撲關系識別等應用提供關鍵技術。

儲昭強同時表示，團隊將結合哈爾濱工程大學船海科研特色優勢，深入研究水下小型仿生平臺如水下機器魚、無人水下航行器等基于超聲和磁場的無線供能技術，這不僅能解決小型仿生平臺等能源“取”的問題，同時解決能源“供”的問題。