不斷湧現的能量採集新技術

作者 : Bill Schweber,EE Times

無論是因為別無選擇,還是因「不花錢(或只花很少的錢)」,而產生的巨大吸引力,能量採集(energy-harvesting)的誘惑一直都存在,在實現能量採集的過程中人們充滿創意…

我在最近的一篇文章「Niche Energy Harvesting: Intriguing, Innovative, Probably Impractical」中提到的一些研究項目,成功地從鐵鏽、木材、織物,甚至夜間向空中發散的熱輻射中採集能量——這些都不是太陽、熱、振動和流體等常規意義上的能源。

無論是因為別無選擇,還是因「不花錢(或只花很少的錢)」,而產生的巨大吸引力,能量採集(energy-harvesting)的誘惑一直都存在,在實現能量採集的過程中人們充滿創意。最近幾個月,我看到了一些新穎的能量採集方法。我不敢說這些方法會被人們長期使用,尤其是對於一些受限的應用(不用電池,對能量採集的需求壓倒一切),我甚至不敢說這些方法一定有用,但它們的確會激勵人們探索。

我最近看到了三種能量採集方法:

環境濕度:麻塞諸塞大學(University of Massachusetts)阿默斯特(Amherst)分校的研究小組利用微生物地桿菌(Geobacter)產生的導電蛋白質奈米線來採集空氣濕氣(甚至在乾燥氣候下)所產生的能量。其電極連接到蛋白質奈米線上,透過大氣中的水蒸氣產生電流。

有些基於濕氣的能量採集技術沒有持續的轉換機制,因此只能間歇性地爆發能量(通常在一分鐘之內)。而這種薄膜元件能夠在環境條件下產生連續電力,可在7μm厚的薄膜上產生約0.5V的持續電壓,電流密度約為17μA/cm2

當薄膜暴露在空氣的濕氣中時,內部會形成自我保持的水分梯度,這就是薄膜元件的能量來源(圖1)。薄膜的底部位於一個電極上,另一個更小的電極(僅覆蓋部分奈米線薄膜)位於薄膜的頂部,薄膜從大氣中吸收水蒸氣。由於蛋白質奈米線能導電,再結合其表面化學特性,加上薄膜奈米線之間的細孔,便具備了在兩個電極之間產生電流的條件。

 

圖1:奈米線元件供電。

(來源:麻塞諸塞大學阿默斯特分校/ Yao and Lovley Labs)

 

在薄膜厚度約7μm、環境相對濕度約50%的條件下,Vo(黑色線)和Isc(紅色線)隨元件尺寸變化的情況如圖1a所示。在薄膜尺寸約1mm2、環境相對濕度約50%的條件下,Vo(黑色線)和Isc(紅色線)隨薄膜厚度(d)變化的情況如圖1b所示。

將5個奈米線元件分別串聯和並聯後得到的Vo(黑色線)和Isc(紅色線),與單個奈米線元件的Vo(灰色線)和Isc(紫色線)進行比較,如圖1c所示。奈米線元件為電容充電後為LED(左)或LCD面板(右)供電,如圖1d所示。

圖1e顯示了由奈米線元件供電的Ge/Si奈米線電晶體的源汲極電流(Ids)與閘極電壓(Vgs)的關係,及其電路圖。圖1a和b中的誤差線代表多次測量的統計平均值的標準差,其中n為3或更大。

相關的詳細資訊請參見發表在《Nature》雜誌上的論文「Power generation from ambient humidity using protein nanowires」,以及「Supplementary information」。

降雪:由加州大學洛杉磯分校(UCLA)領導的多大學合作團隊發明了一種基於雪的摩擦電奈米發電機(Snow TENG),該技術利用了降落的雪帶有正電並釋放電子的原理,如圖2所示。

 

圖2:降雪發電機(Snow TENG)的工作機制和有限元(FEM)模擬。

(來源:加州大學洛杉磯分校)

 

圖2顯示了Snow TENG採用三種不同操作模式(包括敲擊、滑行和降雪)時的工作機制,以及不同操作模式下的FEM模擬結果。當雪落在有機矽薄膜上時,會產生摩擦電荷。

研究人員發現有機矽產生的電荷比其他任何材料都多,他們採用3D列印建構了包含一個有機矽層和一個電極的元件(圖3),這樣就能夠精確地控制電極和摩擦帶電層的設計和沉積,從而得到軟性好、可拉伸且不含金屬的Snow TENG。

 

圖3:Snow TENG的3D列印過程和架構及其光學和機械性能。

(來源:加州大學洛杉磯分校)

 

圖3a顯示是Snow TENG列印過程的示意圖。圖3a-i顯示導電聚合物電極的列印,以及墨水的化學成分;圖3a-ii顯示使用紫外線固化有機矽墨水列印摩擦起電層,以及有機矽墨水的化學成分;圖3b為元件的結構示意圖,顯示了紫外線固化有機矽的表面微圖,左側的掃描電子顯微鏡(SEM)為不同放大倍數下的表面微圖(比例尺分別為100μm和50μm);圖3c顯示Snow TENG的工作原理;圖3d中的圖片顯示有機矽層的透明度很高,穿過有機矽層可以看清背景中的麥克馬斯特大學校徽;圖3e顯示Snow TENG不同的拉伸情況。

在特定條件下,該元件可產生高達0.2mW/m2的暫態輸出功率密度,高達8V的開路電壓和40μA/m2的電流密度。若想瞭解相關理論、製造和測試的詳細資訊,請參見發表在《Nano Energy》上的論文:「All printable snow-based triboelectric nanogenerator」。

人體汗液:加州理工學院(Caltech)的一個團隊開發了一種可以採集能量的電子皮膚(e-skin),它由柔軟的橡膠製成,可以直接貼在皮膚上。這種電子皮膚採用嵌入式感測器和一個主動電路,涵蓋整個訊號鏈,包括類比前端(AFE)。AFE透過藍牙感測、監測和報告一些健康衡量指標,例如心率、體溫和代謝副產物。

其獨特的生物燃料電池(BFC)由人體自身產生的廢物——皮膚汗液來提供動力。研究團隊稱之為由汗液供電的整合電子皮膚(PPES),可以在皮膚上對代謝產物(例如尿素、NH4+、葡萄糖和pH)和皮膚溫度進行多重檢測,並將採集到的資料無線傳輸到使用者設備,如圖4所示。

 

圖4:由汗液供電的PPES。

(來源:加州理工學院)

 

圖4a顯示了PPES利用汗液的不同成份來採集能量,它還包含一個皮膚感測器,透過藍牙進行通訊;圖4b顯示放在手臂上的PPES貼片,其尺寸約為2×3cm;圖4c所示的生物燃料電池-生物感測器貼片非常柔軟、舒適且使用方便(旁邊的黑線長度為1cm,是參考比例尺寸);圖4d顯示軟性電路基板上有感測器、採集器、IC和PPES所需的其他元件;圖4f顯示了一個完整的PPES,其所有元件和佈線都封裝在保護層之間。

電子皮膚中內建的燃料電池吸收乳酸,並將其與大氣中的氧氣結合,生成水和另一種代謝產物——丙酮酸。生物燃料電池採用碳奈米管和複合網格組成的3D結構,其中碳奈米管含有鉑/鈷催化劑,複合網格則含有用於分解乳酸的酶。這個採集電路在0.5V時的典型輸出約為2mW,可產生高達3.5mW/cm2的功率密度,開路電壓為600mV。燃料電池的電力由電容累積,可在1.5~3.8V之間充電。

該團隊的論文「Biofuel-powered soft electronic skin with multiplexed and wireless sensing for human-machine interfaces」發表在《AAAS Science Robotics》上,內容涵蓋其概念、實現、原理、BOM及多個變數的測試結果,還包含詳實的補充材料。

我相信還有其他一些巧妙的能量採集方法。有些方法是通用的,但可能不太切合實際或效率過低;而有一些能量採集方法是專門針對特定應用,很可能會獲得成功。讀者朋友,你是否曾想到過、見過、甚至用過一些非比尋常的能量採集方法?

(參考原文:Energy Harvesting Options Continue to Expand,by Bill Schweber)

 

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