西安交通大学：在智能电网自供能传感技术领域取得重要进展

物联网及传感技术的发展推动了分布式无线传感网络在智能电网的应用，然而其长效稳定供能成为规模化部署的核心难题。传统电池供电存在寿命短、更换成本高等问题，有线供电则在硬件成本和场景适用性方面存在局限，难以适配广域传感节点的应用需求。电网环境中普遍存在着低频杂散磁场能量，具备可持续、可预测、分布广的供能优势，是微型传感设备及传感网络理想的能量来源之一。磁-机-电能量收集器（MME-EH）凭借结构紧凑、功率密度高等特点，成为弱磁场能量收集的候选技术之一，其通过压电-弹性悬臂结构与尖端永磁体的机械耦合效应，能够实现低频磁能向电能的高效转化。然而，采用传统磁电悬臂梁结构已接近其取能功率密度的性能上限，当前研究主要通过磁电材料改性与结构优化改善器件性能，但异形复杂结构将大幅增加器件体积，丧失小型化应用的优势。

宽稳态（Wide-Stable States）是振动系统中常见的非线性行为，通常代表系统总势能在单稳态与双稳态之间的过渡状态，具备多势阱、势垒耦合的动力学特性，可在激励作用下产生跨阱高振幅振动，能量转换效率显著优于传统线性器件。但目前宽稳态技术尚未应用于MME-EH领域，主要是因为自然环境杂散磁场激励强度极低，无法驱动双稳态器件实现高效跨阱振荡；尽管优化其结构可降低势垒高度，但会显著增大器件体积，如何在小型化磁-机-电器件中实现宽稳态取能，成为弱磁能量收集技术亟待攻克的关键难题。

图1（a）三种磁-机-电能量收集器（MME-EH）在杂散交流磁场下的示意图：单稳态、宽稳态和双稳态MME-EHs；（b）提出的宽稳态MME-EH的剖面图及（c）照片；（d）三种MME-EHs的总势能分布图以及（e）相图（速度与偏转量关系）

针对上述难题，精密微纳制造技术全国重点实验室、西安交通大学电信学部电子科学与工程学院刘明教授团队提出一种新型宽稳态动力学调控策略，在紧凑型悬臂式MME-EH基础上引入外部磁场，通过精准设计磁场大小和分布，在单、双稳态之间构建出稳定的中间非线性工作状态，既保留了单稳态结构单一电势阱的小型化优势，又弱化了平衡位置周边电势梯度，解决了双稳态器件弱磁场下振荡效率低、单稳态器件电势阱陡峭、转换效率受限等问题，从而大幅提升了器件磁-机械耦合性能。实验结果表明，该宽稳态策略可使有效体积仅0.968 cm3的小型MME-EH在50 Hz、1 Oe的弱交流磁场环境下实现0.89 mW的输出功率，相较于原始器件性能提升89%，对应输出功率密度可达0.92 mW cm-3Oe-2的功率密度，较目前已报道的最优先进磁场能量收集器件进一步提升了26%。基于该宽稳态MME-EH构建了智能电网自供电无线传感网络，无需额外供电即可实现电力线节点周围电流、温湿度、红外等参数的远程监测，为解决广域分布式无线传感器网络的无源供能难题提供了高效可行的技术方案，在IoT与智能电网领域具备优异的应用潜力。

图2自供电无线传感器网络（WSN）在智能电网中的应用演示

论文链接：

https://doi.org/10.1002/aenm.71352

来源：西安交通大学

审核编辑 黄宇