發布時間：所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 基于摩擦納米發電具有可持續的供電、高效的輸出、簡單的工藝、穩定的性能等優勢，該技術已廣泛應用在人體動能和環境機械能收集上。本文主要對摩擦納米發電技術在變換器領域專利申請進行梳理，并分析未來申請的可能趨勢。 【關鍵詞】摩擦納米發電,電源管理模
基于摩擦納米發電具有可持續的供電、高效的輸出、簡單的工藝、穩定的性能等優勢，該技術已廣泛應用在人體動能和環境機械能收集上。本文主要對摩擦納米發電技術在變換器領域專利申請進行梳理，并分析未來申請的可能趨勢。
【關鍵詞】摩擦納米發電,電源管理模塊,變壓變荷
能源問題和環境問題一直以來都是人們普遍關注的焦點，2006年，美國佐治亞理工學院王中林教授等成功的在納米尺度范圍內將機械能轉換為電能，研制出世界上最小的發電——壓電納米發電。2012年，王中林教授又提出并開發摩擦納米發電。其基本原理是利用摩擦在材料表面產生電荷，并使兩者分離，從而產生極高的電勢，驅動外電路的電子發生定向移動，產生電能。
IDTechEx公司研究報告預測2027年摩擦電能量收集在傳感器領域的市場規模就將達到4億美元，是具有廣闊市場前景的新能源技術。目前，摩擦納米發電已經可以達到500W/m2輸出功率，從指標上看可以滿足許多低功耗系統的應用需求。但是如果直接將摩擦納米發電應用于現有傳統電路，將極大的受限于電流，從而導致高電壓的特性無法得到充分的利用。
此外，只有將隨機的機械能轉換為持續穩定的電能輸出，才能滿足市面上電子器件的工作要求，真正實現摩擦納米發電在生產、生活中的實際應用。因此，研制通用型、高效式、實用化的摩擦納米發電電源管理模塊，以及解決現有納米發電因為高電壓低電荷的輸出特性而與傳統電路無法有效結合的技術瓶頸是摩擦發電在微能源應用領域亟待突破的核心技術。
1技術路線梳理
基于摩擦納米發電具有可持續的供電、高效的輸出、簡單的工藝、穩定的性能等優勢，摩擦納米發電已成為人們研究的重點。下面主要來介紹一下摩擦納米發電技術在變換器領域的發展歷程。2012年，專利文獻CN103859678A公開了為了提供穩定的電壓輸出，將降壓變壓器、整流器、濾波電路、穩壓電路與所述納米摩擦發電串聯連接，實現輸出電壓的穩定。
2013年，為了實現納米發電與傳統應用電路的結合，專利文獻CN104767376A通過變壓變荷電路將納米發電的高電壓和低電荷輸出特性轉變為低電壓和高電荷輸出特性。2015年，專利文獻WO2016096492A1設計使用功率轉換器根據摩擦電發電輸出在摩擦電發電與負載之間提供可控阻抗，實現了改進的功率轉移。
2016年，文獻CN106602684A設計的能量儲存方法可以提高充電速率，增大最大能量存儲效率達兩倍，有效的利用環境中的能量實現自驅動系統。2017年，文獻CN106602687A通過能量暫存器周期性充放電實現對能量存儲器充電，實現摩擦納米發電與能量存儲器的阻抗匹配，大幅度提升能量存儲效率。
2技術在變換器領域的應用
自摩擦納米發電技術研發以來，國內外許多公司、科研院所和國內高校都相繼推出了摩擦納米發電的相關成熟成品。從專利申請的來源國分布來看，因摩擦納米技術是由我國王中林教授帶領的團隊研發提出，所以我國在摩擦納米發電技術的申請量遠遠高于其他國家。
以專利申請的目標國來看，因中國是其他國家關注的市場大國，摩擦納米發電技術的專利申請總量也遠遠高于其他國家。從申請人方面來看，國內的申請人主要集中在科研院所和高校，國外的申請人比較分散，大公司和小型公司都有申請，但是申請量都不是很多，可能是剛開始關注到這一技術的應用前景。
從技術的分布來看，更多的摩擦納米發電技術的申請都是在調整摩擦納米發電本體的結構，從而提高發電效率，增強輸出功率，減少能耗。關于摩擦納米發電能量的輸出應用方面，目前都是通過整流器連接在摩擦納米發電的輸出端，并沒有實質的克服摩擦納米發電能量存在的缺點，例如，(1)內部阻抗高容易造成與能量存儲單元的阻抗失配;(2)能量存儲效率極低，輸出不穩定;(3)高電壓低電荷的輸出特性與傳統電路不想匹配。
相對而言，目前在解決以上問題比較突出的申請人是北京納米能源與系統研究所以及皇家飛利浦有限公司，其通過設置中間電路的方式，解決上述問題，但是申請量很少。而且，摩擦納米發電能夠產生微瓦到毫瓦量級的可持續移動電源，隨著當前移動、可攜帶電子器件的快速發展，摩擦納米發電具有很大的應用潛力。
因此，如何克服納米發電的能量轉換問題成為當前研究的重要課題。在變換器領域，根據負載的需求電壓、功率的不同，能量轉換裝置也有不同的選擇。目前能量轉換裝置包括整流器、逆變器、功率因數校正單元、軟啟動單元、正反激變換器、推挽變換器等。為了發揮摩擦納米發電的巨大優勢，如何將其能量轉換成適應負載不同需求的電壓，就需要切實研究能量轉換裝置與摩擦納米發電輸出能量兩者之間的差異。
具體而言，利用功率因數校正單元、軟啟動電路可以改變傳輸能量線路上的阻抗，從而克服阻抗失配的問題;或者發揮變壓器的優勢，利用正反激變換器、推挽變換器等裝置，克服納米發電的高電壓低電荷輸出特性與傳統電路不想匹配問題;也可以利用控制器輸出特定的PWM、PFM或者PAM波形，控制輸出能量的占空比，提高能量輸出的效率。
基于國內目前在該領域的優勢，為了將該技術產業化，國內公司應盡早的在克服能量轉換問題上開展專利布局。值得注意的是，國內高校科研院所申請人創新活躍，東南大學、北京納米能源與系統研究所、大連海事大學、華中科技大學等都已重視納米發電技術，國內企業可適當考慮加強產學研合作，進一步轉化技術創新成果，提升引領優勢。
3結束語
通本文主要對摩擦納米發電技術在變換器領域專利申請進行梳理，并分析未來申請的可能趨勢。
參考文獻：
[1]王中林.納米發電作為可持續性電源與有源傳感器的商業化應用[J].中國科學:化學,2013.
[2]陳號天等.基于摩擦納米發電的自驅動微系統[J].中興通訊技術,2018.
相關刊物推薦：《中興通訊技術》雜志為學術性與技術應用相結合的通信類專業刊物，由中興通訊股份有限公司與安徽科學技術情報研究所聯合主辦，國內外公開發行。雜志1995年創刊。雜志為雙月刊，逢雙月10日出刊。雜志為大16開本，用紙講究，裝幀精良，封面、封底都作啞光塑封處理，內文彩色印刷，每期發行量為15000份。