◎本報記者 李麗(li) 雲(yun) 通訊員 霍 萍

　　我國“雙碳”戰略倡導綠色、環保、低碳的生活方式，這有賴於(yu) 綠色能源技術的不斷發展創新。在我國大力發展可再生能源的當下，磁能等現實環境中微能源的回收再利用引起眾(zhong) 多研究者的關(guan) 注。

　　哈爾濱工程大學水聲工程學院與(yu) 創新發展基地“海洋磁傳(chuan) 感器和探測”團隊青年教師、副教授儲(chu) 昭強研究設計了一種新型弱磁能收集器結構，可使物聯網傳(chuan) 感器免於(yu) 更換、維修電池等種種人工繁瑣操作，實現弱磁條件下的“自發電”，其輸出功率比傳(chuan) 統磁能收集結構提高約120%。近日，該研究學術論文“兩(liang) 端夾持磁—力—電俘能器件中顯著增強的弱磁能量回收性能”在能源材料領域國際著名期刊《先進能源材料》在線發表。

　　回收再利用環境中的微能源

　　“萬(wan) 物互聯”是打造智能世界的一個(ge) 重要引擎，也催生了物聯網技術的快速發展。目前，發展物聯網的一大挑戰是尋找傳(chuan) 感通信節點的自供能技術，以支持大規模、分布式傳(chuan) 感網絡的構建。

　　針對這一技術挑戰，我國多個(ge) 領域都在積極籌劃以圖破解之道。2021年國家重點研發計劃“智能傳(chuan) 感器”重點專(zhuan) 項針對人體(ti) 多參量生物傳(chuan) 感器在無線場景下自供能入網難題，提出研究從(cong) 人體(ti) 獲取能量的自供能技術；2022年國家重點研發計劃“智能傳(chuan) 感器”重點專(zhuan) 項針對配用電網絡狀態感知分布式傳(chuan) 感器的供能入網難題，提出了磁電耦合自供能磁場敏感元件及傳(chuan) 感器的項目指南；2022年國家自然科學基金也將攻關(guan) 航天用微型壓電振動俘能技術納入指南範圍。

　　可以說發展分布式能源獲取技術，實現環境中微能源的回收再利用具有重要價(jia) 值，也是響應國家節能減排戰略，助力碳達峰的有效舉(ju) 措。

　　對於(yu) 環境微能源的回收利用，在振動能、輻射能和近場電磁能等眾(zhong) 多可收集能源中，電力電纜、工業(ye) 機械和家用電器等產(chan) 生的雜散磁能由於(yu) 其頻率固定和分布廣泛，比風能等低頻能量獲取效率更高，一直受到研究人員的關(guan) 注。特別是在建設智能電網的背景下，對輸電線路狀態參數的在線監測與(yu) 故障診斷迫切需要從(cong) 架空電纜中俘獲能量而構建可持續的自供能傳(chuan) 感網絡。

　　就如小說《三體(ti) 》中描繪的那個(ge) 美麗(li) 新世界，杯子無需電源、電池，可以自加熱，空中的飛車也不用電池，卻能不停地飛，永遠也不會(hui) 沒有電，都是由於(yu) 電源用微波或其他形式的電磁震蕩來發電而形成的無線供電場。這種技術其實就是目前用於(yu) 手機無線充電的技術。最初，人們(men) 也把目光投向了這種傳(chuan) 統線圈式感應取電裝置。但是這種技術有著體(ti) 積大、安裝不便和難以耐受短時大電流衝(chong) 擊等突出問題。

　　因而，人們(men) 開始研究一種由磁能轉化為(wei) 機械能再轉化為(wei) 電能(MME)的俘能裝置，這一技術有望成為(wei) 下一代低頻磁場能量收集的新選擇。

　　儲(chu) 昭強介紹，這種新型俘能器件是利用磁扭矩效應以及磁滯伸縮效應，再利用壓電效應實現機械能與(yu) 電能之間的轉換，其優(you) 勢在於(yu) 無需線圈式感應取電裝置所需的閉合磁路，且可以實現更高效率的能量轉換和對強電流脈衝(chong) 的更高耐受度。

　　適用於(yu) 低場能量收集的新方法

　　儲(chu) 昭強從(cong) 2016年開始接觸振動和磁場的能量收集技術。從(cong) 2016年到2021年，一直致力於(yu) 基於(yu) 傳(chuan) 統懸臂梁式諧振結構的材料和器件方麵的研究。這是一種一端固定而另一端自由，且在自由端附加質量塊(磁鐵)的能量收集器結構。這種結構由自由端磁性質量塊提供驅動扭矩，同時貢獻了超過90%的等效質量。在這種情況下，如果要維持諧振器50赫茲(zi) (Hz)的諧振頻率不變，則難以單純通過增加自由端磁鐵的質量來增強磁—力耦合性能。也正是這個(ge) 原因，目前大多數研究的懸臂梁式磁—機—電器件僅(jin) 局限於(yu) 對強磁場，即大於(yu) 5奧斯特(Oe)磁場的能量收集。世界衛生組織指出公眾(zhong) 可接觸的50/60Hz交變磁場安全閾值為(wei) 1Oe，而且環境中雜散磁場的大小一般也低於(yu) 此參考值。因此也有必要探索適應於(yu) 低場能量收集的新原理和新方法。

　　基於(yu) “磁—機—電俘能器件如何降低自由端磁性質量塊的等效質量”這一思考，儲(chu) 昭強大膽創新，提出了一種兩(liang) 端夾持梁的設計思路。這種設計使磁—機—電俘能器件的兩(liang) 端都固定起來，采用一種二階振動模式，降低了中心磁性質量塊的動能，從(cong) 而減小了其對諧振係統等效質量的貢獻，在增加磁鐵體(ti) 積的情況下大大提升了係統在50Hz弱場條件下的輸出性能。

　　實驗表明，在弱磁環境的相同激勵條件下，該能量收集器在同等單位時間內(nei) 可輸出的電能是傳(chuan) 統懸臂梁式結構的2倍多，完全可以使沒有安裝電池的傳(chuan) 感器正常工作並與(yu) 手機終端進行通信連接。

　　儲(chu) 昭強表示：“在科研工作中，起到關(guan) 鍵作用的往往就是一個(ge) 小小的，甚至不起眼的設計方法。但是這個(ge) 方法的來源一定是基於(yu) 長期的研究和思考。”

　　未來或用於(yu) 水下小型仿生平台

　　“目前，這種對於(yu) 磁場的能量收集技術在應用上還有一定的局限性，科學總是解決(jue) 了一個(ge) 問題就會(hui) 帶來很多新問題的過程。”儲(chu) 昭強向科技日報記者表示，未來，他將主要考慮進一步優(you) 化兩(liang) 端夾持磁—機—電俘能器件在材料方麵、幾何方麵的參數設計，進一步實現增加適應的磁場變化範圍和微型化的集成，為(wei) 研製自供能磁場敏感元件，電網輸變電智能感知與(yu) 配用電網絡拓撲關(guan) 係識別等應用提供關(guan) 鍵技術。

　　儲(chu) 昭強同時表示，團隊將結合哈爾濱工程大學船海科研特色優(you) 勢，深入研究水下小型仿生平台如水下機器魚、無人水下航行器等基於(yu) 超聲和磁場的無線供能技術，這不僅(jin) 能解決(jue) 小型仿生平台等能源“取”的問題，同時解決(jue) 能源“供”的問題。

　　儲(chu) 昭強所在的哈爾濱工程大學水聲學院與(yu) 創新發展基地“海洋磁傳(chuan) 感器和探測”團隊於(yu) 2017年成立並不斷發展壯大，團隊瞄準水下目標多傳(chuan) 感探測的基礎理論、關(guan) 鍵技術和工程應用，全麵開展了基礎磁材料、磁傳(chuan) 感器研製、水下信息感知和處理等技術研究。