鸿蒙之心——可集成式自然能量采集贴

聂德志，余濛濛，范景辉，曾孝诚，邓芳林

指导教师：陶 凯，郝永存

1 作品简介

团队研制了一种可以收集大量分布广、密度小的自然能量的模块化、集成式能源收集系统，有望借助该系统缓解日益紧张的能源形势，并为物联网时代的到来夯实绿色能源基础。

针对微小扰动所产生的能量可由摩擦纳米发电机收集，以拓展的麦克斯韦方程组为其理论基础；针对耗散热能的收集基于热释电效应；针对太阳能的收集由光伏发电模块完成；针对雨滴能的收集需在原有理论基础上自主开发新型采集技术。区别于传统单一发电模式的发电装置，自然能量采集贴可以将多种发电方式依据不同的工作环境自由耦合，提高能量输出功率，实现较为高效的能源利用。研制过程中针对能量密度低、模块不兼容、成品膜封装等问题，开发了驻极体电晕极化、柔性微电子加工、电荷保存等工艺。经过测试，集成后的自然能量采集贴兼备安培级稳定的电流输出与上百伏开路电压输出，可以满足大部分微型传感器的供能需求。进一步提出了能量工具箱的概念，加强了作品的产品性与实用性，经过推广，可广泛运用于物联网无线节点、极端环境、生活娱乐、单兵装备等情境。成果可以与具体物件进行融合，如团队制作了一把基于雨滴能量采集的自供能星空 LED 雨伞，并设计了多功能智能蒙皮的概念模型。

自然能量采集贴致力于与当下传统的化学电池、电磁式发电等供能方式形成互补，以迎合时代需求。自然能量采集贴投入使用后可以大幅度减轻物联网节点的能源负担，并减少一次性电池造成的污染，符合“节能减排，绿色能源”的理念。

作品概述图如图1所示。

图1 作品概述图

2 技术原理

2.1 发电原理

能量采集贴主要原理的根源来自麦克斯韦方程组的位移电流假说。位移电流的基本表达式为：

式中：ε为电介质的介电常数；E代表电场；D代表电位移；P代表极化场密度。

对于一般各向同性介质来说，位移电流右项的2个分量可以合并，即，这是电磁波存在的理论基础。然而在具有表面极化电荷存在的介质中，位移电流有表面静电荷引起的计划密度贡献Ps，JD=ε∂E/∂t+∂Ps/∂t。式中第二项是由表面所带静电荷产生的极化场而引起的电流，这便是收集微机械能所需的摩擦纳米发电机的理论基础，由此可以引导出位移电流在微能源与传感器方面的重大应用。正如爱因斯坦的质能方程为核弹的研制提供了根源性的理论基础，拓展的麦克斯韦方程组中位移电流的2个分量各自打开了全新的领域，都极大程度加速了科技的发展，对人类文明的未来有着重要而深刻的意义。此外，为收集光能和耗散的热能，还需借助光伏发电与热释电发电原理。

2.2 模块化设计

基于上述发电原理，可以设计4种发电模块，使用柔性材料和薄膜加工工艺将发电模块制成薄膜，分别为摩擦发电膜、光伏发电膜、微振发电膜与热能收集膜。4种发电薄膜相互独立，对外只保留对应接口，方便集成应用。发电薄膜示意图如图2所示，图中展示了能量采集贴的结构与对应的材料，其中，ITO指氧化铟锡，这是一种透明的薄膜导电玻璃，具有单面导电性；FEP指全氟乙烯丙烯共聚物，这是一种易被极化的高分子材料，也称其为驻极体薄膜。ITO与FEP均具有柔性、透明等特点。能量采集贴适用环境见表1所列。

图2 4种发电薄膜示意图

表1 4种能量采集贴适用环境

3 创新点与应用前景

本作品主要创新点体现在以下4个方面：

（1）高表面电势的驻极体膜与对应的电晕充电技术；

（2）基于3种能量获取机理的模块化设计与集成式应用；

（3）基于柔性打印的电路解决方案；

（4）电荷保存技术与能量采集贴封装工艺。

自然能量采集贴的特点如下：

（1）结构美观，可在多种应用场合长时间、高效率、稳定发电；

（2）在曲率复杂的表面可实现牢固贴合且在必要时进行复杂折叠；

（3）可以全天候、全方位地收集环境中的微小能源，有效提高能源利用率；

（4）便于携带，可实时为与之配套的终端设备提供能量支持；

（5）污染小，可重复使用性强。

能量采集贴因其组合的多样性与灵活性，适用于各种常见的工作场合，有着广泛的推广前景，如城市供电、智慧农业、智能医疗、军事装备等。

作品致力于与当下传统的化学电池、电磁式发电等供能方式形成互补，市场潜力巨大。未来物联网对自供能传感器的需求日益增长，数量级将会突破千亿级别，能量采集贴系统一旦成熟，产生的经济效益无法估量。