鴻蒙之心可集成式自然能量采集貼

　　要 ：物聯網高速發展的背景下，萬物互聯已成趨勢，由此帶來海量微小傳感器的供能需求。團隊基于多種發電原理，研制了一種可以收集大量分布廣、密度小的自然能量的可集成式模塊化能量收集系統，經過推廣，可廣泛運用于極端環境、生活娛樂、單兵裝備等情境。自然能量采集貼致力于與當下傳統的化學電池、電磁式發電等供能方式形成互補，以大幅減輕物聯網節點的能源負擔，減少一次性電池造成的污染，為物聯網時代提供綠色環保的能源基礎。

　　本文源自聶德志; 余濛濛; 范景輝; 曾孝誠; 鄧芳林; 陶凱; 郝永存， 物聯網技術 發表時間：2021-03-20

　　關鍵詞 ：物聯網;微能源 ;模塊化 ;自供能

　　1 作品簡介

　　團隊研制了一種可以收集大量分布廣、密度小的自然能量的模塊化、集成式能源收集系統，有望借助該系統緩解日益緊張的能源形勢，并為物聯網時代的到來夯實綠色能源基礎。

　　針對微小擾動所產生的能量可由摩擦納米發電機收集，以拓展的麥克斯韋方程組為其理論基礎 ;針對耗散熱能的收集基于熱釋電效應 ;針對太陽能的收集由光伏發電模塊完成 ;針對雨滴能的收集需在原有理論基礎上自主開發新型采集技術。區別于傳統單一發電模式的發電裝置，自然能量采集貼可以將多種發電方式依據不同的工作環境自由耦合，提高能量輸出功率，實現較為高效的能源利用。研制過程中針對能量密度低、模塊不兼容、成品膜封裝等問題，開發了駐極體電暈極化、柔性微電子加工、電荷保存等工藝。經過測試，集成后的自然能量采集貼兼備安培級穩定的電流輸出與上百伏開路電壓輸出，可以滿足大部分微型傳感器的供能需求。進一步提出了能量工具箱的概念，加強了作品的產品性與實用性，經過推廣，可廣泛運用于物聯網無線節點、極端環境、生活娛樂、單兵裝備等情境。成果可以與具體物件進行融合，如團隊制作了一把基于雨滴能量采集的自供能星空 LED 雨傘，并設計了多功能智能蒙皮的概念模型。

　　自然能量采集貼致力于與當下傳統的化學電池、電磁式發電等供能方式形成互補，以迎合時代需求。自然能量采集貼投入使用后可以大幅度減輕物聯網節點的能源負擔，并減少一次性電池造成的污染，符合“節能減排，綠色能源”的理念。

　　2 技術原理

　　2.1 發電原理

　　能量采集貼主要原理的根源來自麥克斯韋方程組的位移電流假說。位移電流的基本表達式為 ：式中 ：ε 為電介質的介電常數 ;E 代表電場 ;D 代表電位移 ;P 代表極化場密度。

　　對于一般各向同性介質來說，位移電流右項的 2 個分量可以合并，即 ，這是電磁波存在的理論基礎。然而在具有表面極化電荷存在的介質中，位移電流有表面靜電荷引起的計劃密度貢獻 Ps，JD=ε∂E/∂t+∂Ps/∂t。式中第二項是由表面所帶靜電荷產生的極化場而引起的電流，這便是收集微機械能所需的摩擦納米發電機的理論基礎，由此可以引導出位移電流在微能源與傳感器方面的重大應用。正如愛因斯坦的質能方程為核彈的研制提供了根源性的理論基礎，拓展的麥克斯韋方程組中位移電流的 2 個分量各自打開了全新的領域，都極大程度加速了科技的發展，對人類文明的未來有著重要而深刻的意義。此外，為收集光能和耗散的熱能，還需借助光伏發電與熱釋電發電原理。

　　2.2 模塊化設計

　　基于上述發電原理，可以設計 4 種發電模塊，使用柔性材料和薄膜加工工藝將發電模塊制成薄膜，分別為摩擦發電膜、光伏發電膜、微振發電膜與熱能收集膜。4 種發電薄膜相互獨立，對外只保留對應接口，方便集成應用。發電薄膜示意圖如圖 2 所示，圖中展示了能量采集貼的結構與對應的材料，其中，ITO 指氧化銦錫，這是一種透明的薄膜導電玻璃，具有單面導電性 ;FEP 指全氟乙烯丙烯共聚物，這是一種易被極化的高分子材料，也稱其為駐極體薄膜。ITO 與 FEP 均具有柔性、透明等特點。能量采集貼適用環境見表 1 所列。

　　3 創新點與應用前景

　　本作品主要創新點體現在以下 4 個方面 ：

　　(1)高表面電勢的駐極體膜與對應的電暈充電技術 ;

　　(2)基于 3 種能量獲取機理的模塊化設計與集成式應用;

　　(3)基于柔性打印的電路解決方案 ;

　　(4)電荷保存技術與能量采集貼封裝工藝。

　　自然能量采集貼的特點如下：

　　(1)結構美觀，可在多種應用場合長時間、高效率、穩定發電 ;

　　(2)在曲率復雜的表面可實現牢固貼合且在必要時進行復雜折疊 ;

　　(3)可以全天候、全方位地收集環境中的微小能源，有效提高能源利用率 ;

　　(4)便于攜帶，可實時為與之配套的終端設備提供能量支持 ;

　　(5)污染小，可重復使用性強。

　　能量采集貼因其組合的多樣性與靈活性，適用于各種常見的工作場合，有著廣泛的推廣前景，如城市供電、智慧農業、智能醫療、軍事裝備等。

　　作品致力于與當下傳統的化學電池、電磁式發電等供能方式形成互補，市場潛力巨大。未來物聯網對自供能傳感器的需求日益增長，數量級將會突破千億級別，能量采集貼系統一旦成熟，產生的經濟效益無法估量。