準(zhǔn)確測試提高高熵能源的
開發(fā)轉(zhuǎn)化與利用
基于納米發(fā)電機(jī)的高熵能源可以很好實(shí)現(xiàn)能源的供給。未來，在能源互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、生物醫(yī)學(xué)、無線通信和無線傳感等領(lǐng)域，納米發(fā)電機(jī)都將有更廣泛應(yīng)用。
納米發(fā)電機(jī)是一種利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電能的裝置，它可以在微小尺度上實(shí)現(xiàn)自供電和無線傳輸。為了測試納米發(fā)電機(jī)的性能和特點(diǎn)，需要采用精密的測量儀器和方法。
Keithley的測試儀器可以提供高分辨率、高靈敏度、高準(zhǔn)確度和高速率的電壓、電流、電阻、功率和能量等參數(shù)的測量和控制。
納米發(fā)電機(jī)測試場景一
基于多孔Al2O3陶瓷片的液固三摩擦納米發(fā)電機(jī)（LS-TENG）來收集水蒸發(fā)引起的電力
測試場景二
基于摩擦納米發(fā)電機(jī) (TENG) 技術(shù)的語音和手勢信號翻譯器 (VGST)，將自然人類動(dòng)作轉(zhuǎn)化為電信號，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。
這里使用Keithley的6514對VGST（語音和手勢信號翻譯器）備的手勢電壓信號，后端使用采集設(shè)備獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。
測試場景三
基于分形原理的新型開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器 (SCC) 設(shè)計(jì) , 稱為分形設(shè)計(jì)開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器 (FSCC)
該研究使用了多種高精度的電氣測量設(shè)備 , 如靜電電壓表、電表和可編程電源等，包含了Keithley 6514和2230G，以全面評估 FSCC 電源管理系統(tǒng)的性能。
以下納米發(fā)電機(jī)測試的場景中所使用的Keithley測試儀器型號：
■ 使用Keithley 6517B靜電計(jì)，可以測量納米發(fā)電機(jī)的表面電荷密度和極化強(qiáng)度，從而評估其對不同機(jī)械刺激的響應(yīng)和轉(zhuǎn)換效率。
■ 使用Keithley DMM6500數(shù)字萬用表和DAQ6510 數(shù)據(jù)采集/開關(guān)系統(tǒng)，可以對多個(gè)納米發(fā)電機(jī)進(jìn)行并行的電壓和電流的測量和記錄，并通過內(nèi)置的觸摸屏或遠(yuǎn)程控制，可以方便地設(shè)置測量條件和查看測量結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)納米發(fā)電機(jī)的大規(guī)模測試和評價(jià)。
■ 使用Keithley SMU 2450源表，可以進(jìn)行開路電壓短路電流測試、測試最大功率點(diǎn)。
DMM6500數(shù)字萬用表
SMU 2450源表
6517B靜電計(jì)
在納米發(fā)電機(jī)的研究中，Keithley的靜電計(jì)，多用表和電源可以提供很多幫助。靜電計(jì)搭配可以進(jìn)行高速采集的DMM6500可以準(zhǔn)確地測量納米發(fā)電機(jī)的各種物理參數(shù)，如電壓、電流、電阻、頻率等。設(shè)備更容易與上位機(jī)連接，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，方便用戶分析和調(diào)試。Keithley設(shè)備的優(yōu)勢在于它們的高精度、低噪聲、多功能、易用性和靈活性，可以大大提高納米發(fā)電機(jī)研究的效率和質(zhì)量。
基礎(chǔ)知識部分
什么是熵，什么是高熵能源
“熵”是熱力學(xué)中表征物質(zhì)狀態(tài)的參量之一，其物理意義是體系混亂程度的度量。熵的概念應(yīng)用于能源研究，可把能源分為“高熵能源”和“低熵能源”。
? 高熵能源是指具有高度混亂和無序的能量形式，例如熱能、光能、聲能等。
? 高熵能源與低熵能源相對，低熵能源是指具高密度、高質(zhì)量聚集性的能量形式，例如化學(xué)能、電能、核能等。
? 高熵能源的特點(diǎn)是分布廣，量級大；能量密度低，傳遞效率低，不易存儲和利用
高熵能源是由能量守恒定律產(chǎn)生的必然結(jié)果，低熵能源往往經(jīng)過燃燒、發(fā)電、輸運(yùn)和使用等環(huán)節(jié)，最后變?yōu)榈推焚|(zhì)的高熵能源并耗散在自然界和環(huán)境當(dāng)中。
高熵能源的轉(zhuǎn)化和利用
根據(jù)熱力學(xué)熵增的原理，高熵能量的再利用比較困難，這也是傳統(tǒng)電磁發(fā)電機(jī)的物理瓶頸。
可以看到高熵能源的轉(zhuǎn)化和利用存在以下的特點(diǎn)：
? 途徑一：高熵能源轉(zhuǎn)化為低熵能源，途徑二：利用高熵能源進(jìn)行工作。
? 難點(diǎn)：需要消耗大量的低熵能源，或者使用復(fù)雜的技術(shù)和設(shè)備，導(dǎo)致成本高，效率低。
? 轉(zhuǎn)化和利用的方法有多種：當(dāng)前目標(biāo)來看非常適用于持續(xù)的驅(qū)動(dòng)布性廣、移動(dòng)性強(qiáng)、功耗小但數(shù)目居多的電子器件；未來則是如何減少化石能源的消耗，充分開發(fā)海洋中的藍(lán)色能源，例如波浪，潮汐等。
高熵能源的發(fā)展前景
高熵能源理論的奠基人之一王中林院士，“現(xiàn)在已進(jìn)入人工智能時(shí)代，這是一個(gè)嶄新的舞臺，對能源的需求將更大。”而萬物互聯(lián)必須要有傳感裝置，而傳感裝置必須有能源驅(qū)動(dòng)。基于納米發(fā)電機(jī)的高熵能源可以很好實(shí)現(xiàn)能源的供給。未來，在能源互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、生物醫(yī)學(xué)、無線通信和無線傳感等領(lǐng)域，納米發(fā)電機(jī)都將有更廣泛應(yīng)用。
近年來，基于納米發(fā)電機(jī)的自供電技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注，主要得益于納米發(fā)電機(jī)在輸出性能、微型化和良好生物相容性方面的快速發(fā)展。納米發(fā)電機(jī)收集的電信號可直接用于生理參數(shù)的主動(dòng)感測。
同時(shí)，這些設(shè)備可將人體的機(jī)械能和熱能轉(zhuǎn)換為電能 ,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)備電池壽命短的缺點(diǎn)。
研究方向
壓電納米發(fā)電機(jī) (PENGs)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能
摩擦電納米發(fā)電機(jī) (TENGs)，利用摩擦電效應(yīng)產(chǎn)生電能
熱釋電納米發(fā)電機(jī)(PyNGs)和熱電發(fā)電機(jī) (TEGs)，收集廢熱能
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