一种利用弱磁能的高效新型收集器帮助物联网传感器“自发电”

中国的“双碳”战略倡导绿色、环保、低碳的生活方式，这有赖于绿色能源技术的不断发展和创新。在我国大力发展可再生能源的当下，磁能等现实环境中微能源的回收和再利用引起了众多研究者的关注。

哈尔滨工程大学水声工程学院、创新发展基地海洋磁传感器与探测团队青年教师、副教授楚赵强研究设计了一种新型弱磁聚能器结构，可使物联网传感器避免电池更换、维护等各种复杂的人工操作，实现弱磁条件下的“自发电”。其输出功率比传统的磁能集热器结构高120%左右。近日，能源材料领域国际知名期刊《先进能源材料》在线发表研究学术论文《显著增强两端夹紧的磁能-电能捕获装置中的弱磁能量回收性能》。

回收再利用环境中的微能源

“万物互联”是构建智能世界的重要引擎，也催生了物联网技术的快速发展。目前，物联网发展的一大挑战是寻找传感器通信节点的自供电技术，以支持大规模、分布式传感器网络的构建。

针对这一技术挑战，国内许多领域都在积极规划解决途径。2021年，国家重点研发计划“智能传感器”重点研究无线场景下人体多参数生物传感器自供电网络接入问题，提出研究从人体获取能量的自供电技术；2022年，国家重点研发计划“智能传感器”重点研究了配电网中具有状态感知的分布式传感器的供电问题，提出了磁电耦合自供电磁场敏感元件和传感器的项目指南；2022年，国家自然科学基金委员会也将航天研究用微型压电振动能量收获技术纳入指南范围。

可以说，发展分布式能源获取技术，实现微能源在环境中的循环利用具有重要价值，也是响应国家节能减排战略，帮助二氧化碳排放调峰的有效措施。

关于环境微能源的回收利用，在振动能、辐射能、近场电磁能等众多可收集能源中，电力电缆、工业机械、家用电器产生的杂散磁能因其频率固定、分布广，比风能等低频能源效率更高，一直受到研究者的关注。特别是在智能电网建设的背景下，迫切需要从架空电缆中获取能量，构建可持续的自供电传感器网络，用于输电线路状态参数的在线监测和故障诊断。

就像小说《三体》中描绘的美丽新世界，杯子可以在没有电源和电池的情况下自热，空中的飞行汽车可以在没有电池的情况下保持飞行，但永远不会没有电，都是电源利用微波或其他形式的电磁冲击发电形成的无线供电场。这种技术其实就是目前用于手机无线充电的技术。起初，人们也把目光投向了这种传统的线圈式感应取电装置。但这种技术存在一些突出问题，如体积大、安装不方便、难以承受短时大电流冲击等。

因此，人们开始研究一种将磁能转化为机械能再转化为电能的能量收集装置。该技术有望成为下一代低频磁场能量收集的新选择。

楚赵强介绍，这种新型能量采集装置利用磁矩效应和磁滞伸缩效应，再利用压电效应实现机械能和电能之间的转换。

楚赵强从2016年开始接触振动和磁场的能量收集技术。从2016年到2021年，我们一直致力于基于传统悬臂梁谐振结构的材料和器件的研究。这是一个能量收集器结构，一端固定，另一端自由，自由端附着一个质量(磁铁)。在这种结构中，自由端的磁性质量块提供了驱动扭矩，同时贡献了90%以上的等效质量。在这种情况下，如果谐振器的谐振频率保持恒定在50 Hz，则很难简单地通过增加自由端磁体的质量来增强磁-机械耦合性能。也正是因为这个原因，目前研究的大部分悬臂式磁电机器件只局限于强磁场即大于5 Oe的磁场的能量收集。世界卫生组织指出，公众可接触到的50/60Hz交变磁场的安全阈值为10e，环境中杂散磁场的大小一般低于这个参考值。因此，有必要探索新的低场能量收集原理和方法。

基于“磁-机-电能量采集器如何降低自由端磁质量块的等效质量”的思想，楚赵强大胆创新，提出了两端夹梁的设计思路。这种设计固定了磁-机-电能量采集装置的两端，采用二阶振动模式，降低了中心磁质量的动能，从而降低了其对谐振系统等效质量的贡献，随着磁体体积的增大，大大提高了系统在50Hz弱场条件下的输出性能。

实验表明，在弱磁环境下相同的激励条件下，该能量收集器在相同的单位时间内输出的能量是传统悬臂梁结构的两倍以上，完全可以使无需电池的传感器正常工作，并与手机终端进行通信。

楚赵强说：“在科研工作中，起关键作用的往往是一个不起眼的小设计方法。但这种方法的来源必须建立在长期的研究和思考之上。”

适用于低场能量收集的新方法

“目前这种磁场聚能技术在应用上还是有一定的局限性。科学总是解决一个问题，它会带来许多新的问题。”楚赵强告诉科技日报记者，未来将主要考虑从材料和几何上进一步优化两端夹持的磁-机-电能量采集装置的参数设计，进一步实现增大适应磁场变化范围和小型化的一体化，为自供电磁场敏感元件的研制、电网输变电的智能感知和配电网拓扑关系的识别提供关键技术。

楚赵强还表示，团队将结合哈尔滨工程大学船海科研特色优势，深入研究基于超声波和磁场的水下机器鱼、无人水下航行器等水下小型仿生平台的无线化。

储昭强所在的哈尔滨工程大学水声学院与创新发展基地“海洋磁传感器和探测”团队于2017年成立并不断发展壮大，团队瞄准水下目标多传感探测的基础理论、关键技术和工程应用，全面开展了基础磁材料、磁传感器研制、水下信息感知和处理等技术研究。