鴻蒙之心
——可集成式自然能量采集貼

聶德志，余濛濛，范景輝，曾孝誠，鄧芳林

指導(dǎo)教師：陶 凱，郝永存

1 作品簡介

團(tuán)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(tǒng)，有望借助該系統(tǒng)緩解日益緊張的能源形勢，并為物聯(lián)網(wǎng)時代的到來夯實綠色能源基礎(chǔ)。

針對微小擾動所產(chǎn)生的能量可由摩擦納米發(fā)電機(jī)收集，以拓展的麥克斯韋方程組為其理論基礎(chǔ)；針對耗散熱能的收集基于熱釋電效應(yīng)；針對太陽能的收集由光伏發(fā)電模塊完成；針對雨滴能的收集需在原有理論基礎(chǔ)上自主開發(fā)新型采集技術(shù)。區(qū)別于傳統(tǒng)單一發(fā)電模式的發(fā)電裝置，自然能量采集貼可以將多種發(fā)電方式依據(jù)不同的工作環(huán)境自由耦合，提高能量輸出功率，實現(xiàn)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(fā)了駐極體電暈極化、柔性微電子加工、電荷保存等工藝。經(jīng)過測試，集成后的自然能量采集貼兼?zhèn)浒才嗉壏€(wěn)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(jìn)一步提出了能量工具箱的概念，加強(qiáng)了作品的產(chǎn)品性與實用性，經(jīng)過推廣，可廣泛運(yùn)用于物聯(lián)網(wǎng)無線節(jié)點、極端環(huán)境、生活娛樂、單兵裝備等情境。成果可以與具體物件進(jìn)行融合，如團(tuán)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(shè)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(dāng)下傳統(tǒng)的化學(xué)電池、電磁式發(fā)電等供能方式形成互補(bǔ)，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(lián)網(wǎng)節(jié)點的能源負(fù)擔(dān)，并減少一次性電池造成的污染，符合“節(jié)能減排，綠色能源”的理念。

作品概述圖如圖1所示。

圖1 作品概述圖

2 技術(shù)原理

2.1 發(fā)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(dá)式為：

式中：ε為電介質(zhì)的介電常數(shù)；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(zhì)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(chǔ)。然而在具有表面極化電荷存在的介質(zhì)中，位移電流有表面靜電荷引起的計劃密度貢獻(xiàn)Ps，JD=ε?E/?t+?Ps/?t。式中第二項是由表面所帶靜電荷產(chǎn)生的極化場而引起的電流，這便是收集微機(jī)械能所需的摩擦納米發(fā)電機(jī)的理論基礎(chǔ)，由此可以引導(dǎo)出位移電流在微能源與傳感器方面的重大應(yīng)用。正如愛因斯坦的質(zhì)能方程為核彈的研制提供了根源性的理論基礎(chǔ)，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(lǐng)域，都極大程度加速了科技的發(fā)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(fā)電與熱釋電發(fā)電原理。

2.2 模塊化設(shè)計

基于上述發(fā)電原理，可以設(shè)計4種發(fā)電模塊，使用柔性材料和薄膜加工工藝將發(fā)電模塊制成薄膜，分別為摩擦發(fā)電膜、光伏發(fā)電膜、微振發(fā)電膜與熱能收集膜。4種發(fā)電薄膜相互獨(dú)立，對外只保留對應(yīng)接口，方便集成應(yīng)用。發(fā)電薄膜示意圖如圖2所示，圖中展示了能量采集貼的結(jié)構(gòu)與對應(yīng)的材料，其中，ITO指氧化銦錫，這是一種透明的薄膜導(dǎo)電玻璃，具有單面導(dǎo)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(huán)境見表1所列。

圖2 4種發(fā)電薄膜示意圖

表1 4種能量采集貼適用環(huán)境

3 創(chuàng)新點與應(yīng)用前景

本作品主要創(chuàng)新點體現(xiàn)在以下4個方面：

（1）高表面電勢的駐極體膜與對應(yīng)的電暈充電技術(shù)；

（2）基于3種能量獲取機(jī)理的模塊化設(shè)計與集成式應(yīng)用；

（3）基于柔性打印的電路解決方案；

（4）電荷保存技術(shù)與能量采集貼封裝工藝。

自然能量采集貼的特點如下：

（1）結(jié)構(gòu)美觀，可在多種應(yīng)用場合長時間、高效率、穩(wěn)定發(fā)電；

（2）在曲率復(fù)雜的表面可實現(xiàn)牢固貼合且在必要時進(jìn)行復(fù)雜折疊；

（3）可以全天候、全方位地收集環(huán)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(shè)備提供能量支持；

（5）污染小，可重復(fù)使用性強(qiáng)。

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(nóng)業(yè)、智能醫(yī)療、軍事裝備等。

作品致力于與當(dāng)下傳統(tǒng)的化學(xué)電池、電磁式發(fā)電等供能方式形成互補(bǔ)，市場潛力巨大。未來物聯(lián)網(wǎng)對自供能傳感器的需求日益增長，數(shù)量級將會突破千億級別，能量采集貼系統(tǒng)一旦成熟，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益無法估量。