Advanced Energy Materials:基于波浪能收集的海上无线通讯及自驱动行船避让岛礁预警系统

中科院北京纳米能源与系统所任泽伟、梁茜AEnM:基于波浪能收集的海上无线通讯及自驱动行船避让岛礁预警系统

摘要:在摩擦纳米发电机和电磁发电机基础上采用单摆结构复合发展而成

研究背景

随着物联网的发展,对于无线通信节点的需求量急剧增加,而这些节点的通讯都需要供电来满足大数据的传输。在交通领域,基于物联网的智能交通系统包括无线传感器、通讯网络、道路安全行车预警等。然而,在辽阔的海域,交通预警系统的供电却受到很大的限制。虽然已经开发出一些无线警报装置,如无线电浮标导航设备,但它们通常由传统电池供电,其有限的使用寿命和环境污染问题限制了其使用。由于海洋占地球表面面积的70%,而且波浪能在这些水体中分布很广,利用水波能作为可持续能源是一种很有前景的技术。与其他清洁能源相比,水波受昼夜交替和天气的影响也较小。然而,由于目前的技术限制,基于水波能收集的自驱动航线预警交通系统的开发仍然很困难。

摩擦纳米发电机(TENG)的发明为收集环境能量提供了前所未有的有效途径。基于摩擦起电和静电感应的耦合效应,TENG器件在低频能量收集上具有不可替代的优势。采用TENG器件收集海洋波浪能量,已被视为TENG的主要应用领域之一。针对波浪能收集,一系列TENG器件已被开发出来,小型电子设备如LCD显示屏、测温计、水质计等已被充分证明可轻松利用所收集到的海洋能驱动。同时,尽管一些无线发射模块也已被TENG器件所收集的波浪能成功驱动,然而其传输距离只能达到几米远。此外,这些无线传输的电源电路控制都是手动而非自动的,使这些已报道出的器件和无线系统很难推广到真正的应用阶段。

文章概述

中国科学院北京纳米能源与系统研究所任泽伟博士和梁茜博士等,在王中林院士的指导下提出基于一种复合式波浪能收集发电机(HW-NG)为供电基础,开发出面向实用化概念的海上行船避让岛礁航线安全预警系统。HW-NG器件是在摩擦纳米发电机(TENG)和电磁发电机(EMG)的基础上采用单摆结构复合发展而成。利用433 MHz超高频(Sub-1G)无线传输技术,仅依靠大型HW-NG器件网络从水波中提取的能量,就可在海上建立一个超远程(目前初步设计为1.5km)的无线通信节点。基于更大规模的海上HW-NG器件阵列网络,预警信号的发射可达到远低于每秒一次的实时频率。进一步地,通过基于电源管理所开发的自控开关模块,实现了预警信号的自动管理、发射。实际应用中,在行船目视盲区的暗礁或者岛礁附近海域,通过所构筑的预警系统,可实现对行船航行交通风险的全天候实时预警,保证船舶在各种天气条件下的航行安全。这项工作将物联网的概念以实际技术的形式实现到蓝色能源的研究中,给出了在不依赖于任何外部电源的情况下,海上超远程点对点自主通信建立的初步实现方案。这一技术手段与应用概念的提出,为物联网大时代信息背景下蓝色能源的研究走向应用提供了独特思路。

图文导读

图1. HW-NG器件的设计与构造(a)基于HW-NG网络的自驱动海洋行船航线规避预警系统示意图。(b) HW-NG器件的结构和材料设计,比例尺为2μm。(c、 d,e)器件中所采用的多层折叠TENG、铜线圈、HW-NG器件实物照片(比例尺分别为5 cm、3 cm和7 cm)
图2. HW-NG器件的运动特性及结构优化。(a) HW-NG中单摆结构的受力分析。 (b)不同弹簧系数下,单摆最大振幅时折叠TENG的被压缩程度。(c)不同弹簧系数下单摆的摆动角和频率。(d)输出与单摆上分布弹簧系数的关系。(e)(f)不同弹簧分布方案下单摆运动状态及的HW-NG器件的输出。(g)磁铁块质量对HW-NG器件性能的影响。
图3. 单个HW-NG器件的电学输出特性。(a、 b、c、d)。当水波a,b)频率在0.5-2.5 Hz范围内c,d)和波幅在1.0-2.5 V范围内时,器件中TENG单元产生的开路电压和短路电流。(e)TENG单元在不同外负载下的瞬时输出功率。(f)器件中双TENG并联集成与单TENG输出差异。(g、 h,i,j)。当水波g,h)频率在0.5-2.5 Hz之间i,j)和波幅在1.0-2.5 V范围内时,器件中EMG单元产生的开路电压和短路电流。(g)EMG单元在不同外负载下的瞬时输出功率。(l)不同数量铜线圈制备的EMG单元输出性能变化。
图 4. HW-NG网络阵列的输出性能。(a) HW-NG网络中整流桥和TENG单元之间的连接电路图。(b) TENG单元网络在不同水波频率和振幅下的输出。(d)HW-NG网络中整流桥和EMG单元之间的连接电路图。(e、 f)。EMG单元网络在不同水波频率和振幅下的输出。(g)四个HW-NG器件网络的实验测试照片。(h i)。h)单个HW-NG器件和i)四个HW-NG器件组成的网络为不同电容进行充电的电压变化曲线。
图 5. 自驱动海洋行船航线规避预警系统。(a)远程无线预警信号发射与接收模块实物照片。(b) 自动开关模块实物照片。(c)自驱动海洋行船航线规避预警系统的工作原理图。(d)海洋航行预警系统的实验演示。(e)海洋航行预警系统中,接收终端手机移动设备上预警应用程序的开发与预警信号演示。(f)海洋航行预警系统工作时,能量储存电容器(9.4 mF)的电压变化 (g)电路中的电流变化。(h、i)无线通信节点传输距离的室外验证测试实验。

论文信息:

Water-wave driven route avoidance warning system for wireless ocean navigation

Zewei Ren, Xi Liang, Di Liu, Xunjia Li, Jianfeng Ping, Ziming Wang, Zhong Lin Wang*

Advanced Energy Materials

DOI :10.1002/aenm.202101116

原文链接:https://doi.org/10.1002/aenm.202101116