近期，程纲教授课题组的研究成果“采用自适应电弧放电装置提高摩擦纳米发电机输出能量及其在无线气象传感系统中的应用”在国际著名刊物Nano Energy （IF=16.8, JCR一区）上发表。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109987

随着物联网（IoT）、大数据和人工智能（AI）的蓬勃发展，各种传感器的数量爆炸式增长。这些数量庞大的传感器具有全空间覆盖、不间断工作等特点，为这些传感器供电是一个巨大的挑战。从传感器的工作环境中收集能量是一个潜在的解决方案。摩擦纳米发电机（TENG）可以从周围环境中收集各种机械能并有效转化为电能。TENG的工作机制是摩擦起电和静电感应效应的耦合，其原理可追溯到麦克斯韦位移电流。TENG具有成本低、材料选择广泛、低工作频率下能量转换效率高等优点，是传感器和电子设备的理想电源。但是，TENG具有开路电压高、短路电流低的特点，需要电源管理电路（PMC）将其转换成低压大电流的直流形式给传感器供电。然而，TENG具有超高的内部等效阻抗（~100 MΩ），这导致PMC（其输入阻抗低于1 kΩ）几乎无法获得电能。

引入开关可以使TENG的输出能量最大化，同时降低其内部等效阻抗，实现高效的电源管理。研究人员已经开发了各种开关来实现TENG的最大输出能量。机械开关需要巧妙设计，以匹配TENG的运动状态，以确保最大输出能量。电子开关需要设置参数以匹配TENG的输出进行通断。与上述类型的开关相比，气体放电开关由于以下优点而具有发展前景。第一，快速响应。气体放电开关通过气体放电实现通断（10^-7秒~10^-6秒），比机械开关实现通断（~10^-3秒）要快得多。第二，气体放电开关具有抗振动和冲击的特点，可以在恶劣的工作条件下工作，而机械开关不能保证在振动或冲击下的正常开/关。第三，工作寿命长。气体放电开关无触点，无磨损，因此工作寿命比机械开关和大多数电子开关长。第四，抗干扰性强。气体放电开关具有很强的抗电磁干扰能力，可以在辐射强度高的场合稳定工作，而电子开关则不能在这种环境下工作。

自适应电弧放电装置提高摩擦纳米发电机输出能量及其在无线气象传感系统中的应用

在本工作中，为了显著提高摩擦纳米发电机的输出性能和PMC的储能效率，研制了一种TENG驱动的尖端电极空气放电开关（T-TADS）。与不带T-TADS的相同TENG相比，外电阻小于1 MΩ时的最大瞬时功率提高了1600倍。与无源PMC相结合，当尖端距离为2.2 mm时，PMC的能量存储效率达到58.9%。为了扩大气体放电开关的通用性，还测量了击穿电压稳定、体积小、重量轻（~ 0.9 g）、易于集成的气体放电管（GDTs）。结果表明，GDT具有与T-TADS相似的电学性能，当放电阈值电压为1000 V时，PMC的最大能量存储效率为56.3%。最后，基于风驱动的TENG和包含GDT的PMC，开发了一个自供电的无线气象传感系统，该系统可以每11分钟传输一次温度、湿度、气压和光照强度四种气象数据，最大距离为800 m。自驱动无线气象传感系统在高海拔、沙漠和山区等地区具有潜在的应用前景。

河南大学博士研究生张文河为论文的第一作者，河南大学顾广钦副教授和程纲教授本文的共同通讯作者。本工作得到国家自然科学基金委和河南大学的经费支持。