近日，我院龚立娇教授研究团队在压电能量采集方面取得重要进展，研究结果以“Design and Optimization of a Compact Broadband Piezoelectric Energy Harvester System with Enhanced Efficiency”发表于工程技术领域TOP期刊《Renewable Energy》（中科院一区，影响因子为9）。
振动能是一种普遍存在的能源形式，利用压电能量采集器(PEH)将环境中的振动能转换为电能，作为微能源可为微功耗电子设备供电。压电能量收集器由于体积小、能量密度高、无电磁干扰和易于集成而被广泛研究。典型的压电俘能器大多采用悬臂梁结构，但由于刚性支撑的悬臂梁的的共振频带窄、采集效率低限制了该技术的实际应用。同时，自然环境中的振动具有复杂的非周期性且频率是随机的。一旦外界振源频率远离压电俘能器的固有频率时，俘能器的发电能力将显著降低。研究团队创新提出了一种结构紧凑的高性能压电能量收集系统，用于宽带振动。所提出的压电能量收集系统将振动能量转换为低功耗电子设备的电能，为传统电源提供了替代方案。
Figure 1 Experimental platform of the proposed CBPEH system. (a) Practical laboratory set up. (b)Block diagram of the proposed CBPEH system at Various Temperature and Humidity Levels.
在这项研究中，提出了一种43 mm × 20 mm × 30.1 mm的紧凑型宽带压电能量收集器（CBPEH），它具有48 Hz和62 Hz两个紧密间隔的弯曲振动共振频率，从而产生35 Hz到90 Hz的宽工作带宽。为了提高能量转换效率，创新提出了一种可扩展的自供电双电容开关同步电荷提取（SDCS-SECE）接口电路。该电路有效地管理PEH中不同的相位关系，防止能量中和，并确保不同的PEH不受干扰地运行。实验结果表明，在35-90 Hz范围内，系统性能最佳，归一化功率密度高达0.995 μW/(mm³·g)，是迄今为止报道的覆盖50 Hz的最宽连续工作频带。该系统成功地为加速度传感器供电，显示了其在自动化监测系统中自供电无线传感器节点的潜力。
Figure 2 Output characteristics of the proposed CBPEH system.(a) Input voltages VP13 and VP24 at 61.7 Hz.(b) Scope-captured Input voltage VP13 and inductor current IL1.(c) Comparison of the relative deviation in CBPEH system output voltage under different environmental conditions.
该成果由新疆“天山英才”创新团队-零碳能源与碳零排技术创新团队完成，团队负责人为能源与材料学院龚立娇教授。在共同兴趣、国家需求和科研使命的驱动下，结合国家重大需求和国际科技前沿研究，服务本地区教育、经济发展需求，本着“研以致用，在工程应用中寻求和解决关键工程科学理论与工程技术问题”工作理念，进行了深入系统的研究，取得了一系列自主知识产权的创新性研究成果。本团队正是在这个过程中形成的一支团结、协作，创新、奋进的技术创新团队。近年来，该团队致力于可再生能源利用相关研究，参与起草了由全国半导体器件标准化技术委员会负责归口管理的国家标准4项并获批准。
我院龚立娇教授为论文通讯作者，机械电气工程学院博士研究生马欣欣为第一作者。此项研究成果得到了：自治区“天山英才”人才支持计划、国家自然科学基金、兵团研究生创新项目的资助。