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序言

机械工程学报 2022年第20期58卷 1-2页

作者：陶凯周生喜秦卫阳西北工业大学

随着微/纳机电系统(Micro/Nano electro-mechanical systems,MEMS/NEMS)和物联网(Internet of things,IoT)的迅速发展,各类微型传感器以及无线传感网络(Wireless sensor network,WSN)等也获得飞跃式发展,并在智慧城市、环境监测、人体健康监测等领域具有广泛的应用前景。然而目前大多数传感器依然采用电池作为主要能量源,由于存在能量密度低、占用体积大、存在泄漏风险以及安全问题等不足之处而渐渐无法满足人们的需求,并且废弃的电池对环境带来的严重污染同样不容忽视,研究微纳俘能器件和系统收集环境能量作为传感器的补充能源已成为研究热点。

关键词：无线传感网络微型传感器人体健康监测能量密度能量源智慧城市环境能量

压电极化增强钙钛矿氧化物半导体光催化性能及机理研究

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压电极化增强钙钛矿氧化物半导体光催化性能及机理研究

作者：张立璇北京化工大学

学位级别：硕士

LaFeO钙钛矿氧化物半导体具有易合成、制作成本低、无污染等特点,在有机物光催化降解、器件制造等领域应用较为广泛。但是由于其光生载流子分离效率低下导致不够理想的光催化特性,严重影响了其后续应用。因而发展可调控LaFeO中载流子传... 详细信息

LaFeO钙钛矿氧化物半导体具有易合成、制作成本低、无污染等特点,在有机物光催化降解、器件制造等领域应用较为广泛。但是由于其光生载流子分离效率低下导致不够理想的光催化特性,严重影响了其后续应用。因而发展可调控LaFeO中载流子传输特性的技术具有重要意义。压电材料中由机械振动产生的压电极化场是调控光生载流子分离和转移行为的一种很有前景的技术。但实现压电极化与半导体性能耦合的关键在于设计具有压电-光电子效应的多功能催化剂。其中可行性最高的一种策略是制备复合催化剂,即将单独的压电体与半导体结合起来。鉴于此,本研究提出通过过量掺杂诱导压电相原位析出进而实现自组装的压电相/半导体相催化剂,实现高效的光生载流子分离效率和催化效率。首先,由一步固相反应法合成了标准化学计量比的LaFeO,研究了水流运动方式、超声功率、超声频率等条件对其压电光催化活性的影响,优化了压电光催化的反应条件。淬灭实验及曝气实验表明,压电光催化制得HO的反应机理为氧气还原路径。探究了压电增强光催化的机理,即压电场的存在会使得材料内部光生载流子的运输得到明显提高。其次,通过在合成的标准化学计量比的LaFeO基础上引入过量的Zn掺杂剂。在控制的固态反应过程中,压电尖晶石Zn FeO和LaO相与半导体相(钙钛矿LaFeO)一起原位析出,从而形成超细LaFeO/Zn FeO/LaO复合材料,各相之间紧密接触。动态压电电场由超声来引发。优化后的复合材料具有高达826 pm V的压电系数(d)和高达401μmol g h的HO产率(在常温常压环境和纯水中),优于大多数报道的无铅压电光催化剂的性能。经过多次循环测试,超紧凑复合材料非常坚固,HO生产能力没有任何衰减。本研究为合理设计高性能压电光催化剂提供了一种通用策略。由于形成超细LaFeO/Zn FeO/LaO复合材料,每个相之间具有晶间接触。得益于此,压电势场可以很容易地穿透半导体晶体,有效促进了空间电荷分离和迁移,同时抑制了电子空穴的快速复合,因此在表面产生更多的活性电荷来参与反应。该复合材料在常温常压环境和纯水条件下通过压电光催化获得了较高的HO和ROS产量。机理研究表明,HO的产生途径是通过两电子转移途径进行有效的氧气还原反应。

关键词：纳米复合材料动态压电电场环境能量压电光催化

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输电线低功耗监测设备混合供电电源设计

中国测试 2022年第10期48卷 109-116页

作者：陈新岗赵蕊马志鹏贾勇邹越越朱磊黄宇杨重庆理工大学电气与电子工程学院重庆400054 重庆市能源互联网工程技术研究中心重庆400054

为给输电线路上低功耗在线监测设备提供稳定可靠的供电,设计一种多能量供电电源,可利用磁场能、太阳能与锂电池实现混合能量管理方案。通过理论分析、有限元仿真分析、硬件电路设计、实验平台的搭建证明该电源良好的应用效果。实验表明... 详细信息

为给输电线路上低功耗在线监测设备提供稳定可靠的供电,设计一种多能量供电电源,可利用磁场能、太阳能与锂电池实现混合能量管理方案。通过理论分析、有限元仿真分析、硬件电路设计、实验平台的搭建证明该电源良好的应用效果。实验表明,该电路能够给负载提供3.3 V不间断的供电电压;当两种环境能量都没有输入时,仅锂电池就可为平均消耗500 mW的负载供电73.92 h,满足为负载稳定持续供电的要求,增强了供电稳定性,提高了能源的利用率,能有效延长锂电池的使用寿命。同时,对多能量供电系统的推广和应用提供了参考价值。

关键词：能量管理方案电路设计环境能量锂电池低功耗设备

临近空间太阳能飞机能量最优飞行航迹规划方法展望

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航空学报 2023年第8期44卷 1-22页

作者：高显忠邓小龙王玉杰郭正侯中喜国防科技大学空天科学学院长沙410073

临近空间太阳能飞机是低速临近空间飞行器中一种极具发展潜力的技术途径,有望成为一个理想的区域通信、中继和运输平台。实现N×24小时能源闭环的超长航时飞行,是发展临近空间太阳能飞机的核心问题,也是形成“区域保持+时间持久”特色... 详细信息

临近空间太阳能飞机是低速临近空间飞行器中一种极具发展潜力的技术途径,有望成为一个理想的区域通信、中继和运输平台。实现N×24小时能源闭环的超长航时飞行,是发展临近空间太阳能飞机的核心问题,也是形成“区域保持+时间持久”特色能力的关键。能量最优航迹规划方法是解决临近空间太阳能飞机跨昼夜能量闭环难题的有效技术方向。当前临近空间太阳能飞机能量最优航迹规划方法可分为2类:不考虑风场变化的能量最优航迹规划方法和不考虑大范围高度变化的能量最优航迹规划方法。分别对这2类问题的研究成果进行了分析与讨论,考虑不同处理框架给实际工程应用带来的困难与挑战,认为未来应统一考虑太阳辐射、空间高度和风场变化,并融合重力势能与梯度风场对太阳能飞机临近空间持久驻留能量变化的影响,开展基于强化学习框架的太阳能飞机能量最优“通用”飞行航迹规划方法研究。为此,有必要开展临近空间风场环境表征与重构、临近空间梯度风场对太阳能飞机滑翔轨迹能量影响分析、最优飞行航迹示教轨迹生成与分类、基于示教轨迹的太阳能飞机强化学习框架构建等关键技术研究。可为设计太阳能飞机能量最优航迹规划方法提供参考,为规划太阳能飞机研究技术路线提供支撑。

关键词：临近空间太阳能飞机能量最优航迹规划方法环境能量

水凝胶/气凝胶基复合材料的设计制备及其光热转换性能研究

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水凝胶/气凝胶基复合材料的设计制备及其光热转换性能研究

作者：王君实湖北大学

学位级别：硕士

伴随着农业和工业的发展,世界能源短缺以及全球化环境污染等问题日益加剧。同时随着天然淡水大量枯竭,水危机也是最严峻的全球性挑战之一。新能源和环保能源的使用与开发对人类来说迫在眉睫。太阳能是全球最丰富的可再生能源,对人类来... 详细信息

伴随着农业和工业的发展,世界能源短缺以及全球化环境污染等问题日益加剧。同时随着天然淡水大量枯竭,水危机也是最严峻的全球性挑战之一。新能源和环保能源的使用与开发对人类来说迫在眉睫。太阳能是全球最丰富的可再生能源,对人类来说是取之不尽用之不竭的,因此太阳能蒸汽发生技术被认为是缓解淡水短缺危机的最有前途的环保技术之一。太阳能蒸汽发生技术是一种可持续并且绿色的海水淡化技术。传统的太阳能光热水蒸发技术主要依靠太阳光对水体直接辐照,但是受限于其较低的光热转换效率以及昂贵的设备。通过将太阳能加热定位在气液表面来实现太阳能驱动的界面太阳能蒸发技术作为一种全新的经济高效的海水淡化技术应运而出。为了获得更高的转换和利用效率,探索如何设计和优化界面太阳能蒸汽技术的材料、结构和装置引起了研究界的关注。本论文围绕着如何优化太阳能蒸汽发生技术的光热材料,水分传输通道以及能量管理等关键问题,通过合理的创新设计制备了多孔还原氧化石墨烯/CuS复合水凝胶以及仿生松果状海藻酸钠气凝胶,深入地研究了其光吸收特性,光热水蒸发性能,净水能力,及其对环境能量的利用。取得的主要研究结果如下:1.还原氧化石墨烯/CuS复合水凝胶的制备及其光热性能研究:采用一步湿化学法制备了具有高光吸收(90%)以及高光热转换性能(96%)的生长在纸片状还原氧化石墨烯上的CuS纳米粒子,碳基材料还原氧化石墨烯在全光谱具有非常良好的吸光能力,同时半导体材料CuS对近红外光有着强吸收以及良好的光热转换性能,两者起到了很好的相辅相成的效果。并与聚乙烯醇,聚丙烯酰胺复合制备了一种具有高光吸收、易扩展和自脱盐能力双网水凝胶太阳能蒸发器。并将该器件用于海水淡化领域,在一个太阳光强辐射下(1 k W m),蒸发速率可达(2.19 kg m h),太阳能光热转化效率高达96%,海水离子去除率达99.9%,且对有酸碱溶液等具有出色的净化分离能力。这种将材料、结构与高性能、易规模化制备和环境友好性的集成策略,不仅发掘了CuS作为新型光热吸收材料的潜能,而且为水凝胶复合材料在面向偏远地区的高效太阳光热水蒸发技术提供了新范例。2.仿生松果结构的海藻酸钠柱的制备及其光热转化性能的研究:采用冻融法,经过反复多次地冻融以及冷冻干燥制备了具有高光吸收(94%)的仿生松果结构的海藻酸钠柱太阳能蒸发器。该种结构设计可以利用环境能量来提高界面太阳能蒸汽发生装置的性能,假设在各种光强度下太阳能蒸汽的能量转移效率为100%,该装置可以使其高于蒸汽输出的理论极限。通过诱导光散射和多次内部反射与吸收,有效捕获纳米结构内的入射光,使器件甚至可以在弱光环境中工作。并将该器件用于海水淡化领域,在一个太阳光强辐射下(1 k W m),蒸发速率可达(2.41 kg mh),重金属离子溶液的离子去除率达99.9%,对强酸强碱溶液等具有出色的净化分离能力。这种通过创新结构来利用环境中的能量是设计新型太阳能蒸发器的一种有前景的策略。这一概念为太阳能海水淡化提供了一种全新的思路。

关键词：光热转换太阳能蒸汽水凝胶海水淡化环境能量

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无线传感器振动型自取能电源设计

无线传感器振动型自取能电源设计

作者：王博华东交通大学

学位级别：硕士

目前微型传感器等低功耗微纳设备的主要供电方式为电池。传统的化学电池体积大且电量少,不适于集成安装还需要定期更换,对于在野外环境或者人类不易装配的地方使用时具有一定的局限性,同时其维护成本较高且其废弃物容易对环境造成污染... 详细信息

目前微型传感器等低功耗微纳设备的主要供电方式为电池。传统的化学电池体积大且电量少,不适于集成安装还需要定期更换,对于在野外环境或者人类不易装配的地方使用时具有一定的局限性,同时其维护成本较高且其废弃物容易对环境造成污染。因此,迫切地需要新的供电方案以满足此类微-机电系统的供电需求。基于此,从环境中获取譬如振动能等非电能量并将其转换为电能加以利用是一类较为有效的解决办法。目前,就针对具体振动环境设计压电式振动能量采集装置的方法和方案没有相对完备成序的方法论以及多参量考核下的振动俘能器的构建指标论。这一指导“空缺”对于许多较为典型、稳定且情况不复杂的工程场景下能够快速且有针对性地设计俘能器是迫切和必要的。因此,本文选取了工程普适性和可行性较高且便于设计调整的压电式振动能采集器作为讨论和设计目标,旨在提供一套较为科学合理且趋于完备的俘能器设计考量指标方法,最终可为常见工程问题提供较为可行且快捷的自取能系统设计技术路线。本文从原理中形成初步推论并利用计算机仿真辅助验证,在此基础上证实推论探寻规律并作进一步完善总结,同时形成一系列设计指导结论,最终运用于具体工程问题加以求证和检验指导效果。本文比较了电磁式、静电式以及压电式等几类振动能量采集方式,选取了普适性和可行性较高的压电式振动能采集器作为设计目标。对有关压电式振动能量采集的理论基础进行了研究,包括压电换能基本机理、压电材料类型与材料性能参数、机电耦合关系及模型等。并从理论上分析了压电梁式振动能采集器的机-电换能特性、频率谱特征以及其梁式机械结构换能优势等。本文将基于PZT-5H压电陶瓷的双晶悬臂梁振动能量采集器拟定为研究对象,建立其数学模型并进行理论分析。利用COMSOL的有限元分析对于相应的推论进行了仿真核实与理论验证。本文也对压电悬梁结构体完成了模态分析、静态结构分析、固有频率与几何尺寸和质量块重量的关系研究、矩形压电悬臂梁与其等强度其他形状梁的输出效能对比研究、压电悬臂梁的电学阻尼特征分析以及探讨不同夹持固定方式在频率特征和输出特征区别。通过仿真研究形成了相应的研究成果和设计依据。为进一步验证本文的研究结果,将上述俘能器设计指导应用于实际工程问题并检验设计效果。于是本文针对特殊工况情况下电机组无法停机更换和维护检测部件供电电池的问题,完成了基于电机组轴承套壳0.1g 135Hz振动源参数的共振型能量采集器的设计,仿真模型在该条件下的电学谐响应为6V电压与0.5m W输出功率,并且根据模型参数完成实物制作。同时,利用LTC3588-1电源管理芯片设计和搭建振动能量采集接口电路;利用支持Mist Mesh＆BLE协议的2.4G无线通信模块和SI7021接触式数字温湿度传感器组建无线传感模块。最终将采集器、电源电路模块、负载模块组成基于振动型自取能电源的无线传感微系统。所设计的基于振动型自取能电源的电机轴承测温传感模块在电动机组上进行了实验测试。在135Hz 0.1g的振动环境下,装置能够输出最值6V且均值5.7V的输出电压,并在24分钟内将0.047F的超级电容充电至5V,平均充电功率为0.42m W。收集的电能通过电源电路输出稳定的3.3V电压为负载供电,成功使能23.5μW的无线温湿度传感器完成测量和发送电机轴承温度的任务。

关键词：振动能量采集振动能量采集接口电路自供电能量清理免电池环境能量压电材料压电换能器

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森林对环境能量和水分收支的影响

北京林业学院学报 1984年第2期 17-35页

作者：贺庆棠

森林受到环境的强烈影响,而环境也会受到森林一定的影响和反作用。至于森林对环境影响的范围,反作用之大小,目前在我国如同在世界上许多国家一样,存在着分歧和争论,作者也曾对此发表过看法。为了正确揭示森林对环境的影响,掌握其影响... 详细信息

森林受到环境的强烈影响,而环境也会受到森林一定的影响和反作用。至于森林对环境影响的范围,反作用之大小,目前在我国如同在世界上许多国家一样,存在着分歧和争论,作者也曾对此发表过看法。为了正确揭示森林对环境的影响,掌握其影响和作用的规律。

关键词：森林环境能量水分收支影响

基于薄膜拍打型摩擦纳米发电机的风能收集研究

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基于薄膜拍打型摩擦纳米发电机的风能收集研究

作者：杨恩大连海事大学

学位级别：硕士

随着物联网和互联网技术的飞速发展,传感器的需求日益增加。在偏远地区或者开放海域的资源开发和环境监测尤其需要使用无线传感器,从而实现对环境的实时监测和数据采集与传输。但是传统的对无线传感器的供电方式多是采用电池或者太阳能... 详细信息

随着物联网和互联网技术的飞速发展,传感器的需求日益增加。在偏远地区或者开放海域的资源开发和环境监测尤其需要使用无线传感器,从而实现对环境的实时监测和数据采集与传输。但是传统的对无线传感器的供电方式多是采用电池或者太阳能电池板,普遍成本高昂,尤其是电池供电的方式,电池使用寿命有限,且不可重复利用,对环境造成很大的影响,因此应当考虑如何从环境中收集能量,从而实现无线传感器的自供能。风能,作为一种普遍存在于环境中的清洁能源,分布广泛,便于采集,是一种理想的可用于为无线传感器供能的能量来源。目前,风能采集的方式主要是以基于电磁感应原理的大型风力发电机为主,基本上都在兆瓦级以上,尽管输出功率很高,但是对于小型的传感器来讲并不适用,传感器的所需功率基本在微瓦到毫瓦级。因此,实现无线传感器的小型化自供能是解决这些问题的一个可行方案,也将是本文研究的重点。摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator,TENG）,自王中林院士在2012年提出以来,作为一个全新的和前沿的方向,成为学术界研究的热点之一,在自供能和传感器领域的应用受到了广泛的重视。TENG的基本原理是摩擦起电和静电感应的耦合,由于材料摩擦电序列的差异,不同材料在接触摩擦的时候会产生静电,形成静电场,并驱动电荷在电极之间转移,摩擦副周期性的相对位移会改变电场强度,形成交变的电场和电流。因此,TENG可有效地将机械运动的能量转化为电能,从而实现为传感器供电。本文基于接触式独立层摩擦纳米发电机（Contact Freestanding Triboelectric-Layer TENG）提出了一种薄膜拍打型摩擦纳米发电机（Films Flapping Triboelectric Nanogenerator,FF-TENG）,用于采集风能,可以为环境中的无线传感器节点供电,或者用于传感。通过将摩擦纳米发电机与风致薄膜振动耦合,结合各自的工作原理,对风速、膜长以及薄膜数量等参数进行了实验与分析,实现了该装置对风能的有效采集,并使其具备了了为无线传感节点供能的能力。本文主要研究内容与结论如下:首先,本文对摩擦纳米发电机的发电原理和薄膜拍打的原理进行了理论分析。通过这些理论依据,确定了影响实验器件发电性能的一些主要参数,为实验方案设计和实验结果的解释奠定了理论依据。此外,对薄膜的拍打特性进行了流场显示实验,这能够帮助理解本文发电模型的输出特性规律。其次,在深入研究了现有风能采集技术的基础上,提出了基于薄膜拍打型的摩擦纳米发电机,用于风能的采集,并对主要参数进行了实验分析。经过系统的实验,发现随着风速的增加,对于一定长度的PTFE薄膜,器件的输出电压和转移电荷量先是随风速增加,但是当风速达到一定值（约4.74m/s）后,输出电压和转移电荷量便不再有明显的增减,处于一种波动的稳定状态。而器件的短路电流则随风速的增加而增加。在一定风速下,随着薄膜长度的增加,器件的输出电压和转移电荷量也在增加,短路电流则在薄膜长度达到一定值后趋于稳定值。再次,在单个薄膜实验的基础上,本文提出了双薄膜和多薄膜拍打型的发电模型,这是前人未曾提出的模型,通过实验也发现了这种模型独特的发电性能和特点。实验发现,对于双薄膜FF-TENG,下游薄膜的发电性能比上游薄膜和单个薄膜的都要好,且上下游薄膜的拍打频率没有明显差别。此外,本文又进一步研究了多薄膜（四个串列布置的薄膜）FF-TENG的输出特性。通过分析对比每个薄膜的输出电信号,发现了与前人实验结果类似的现象,即下游薄膜的发电性能要优于上游薄膜,同时它们的拍打频率也基本相等。最后,本文对优化后的发电器件进行了演示实验,以验证其发电能力和工作性能。本文测试了在不同电路连接方式下,双薄膜FF-TENG的输出功率,在串联时其输出功率最大为167.8mW,输出电压是80mm长单薄膜FF-TENG的1.87倍,160mm长单薄膜FF-TENG的1.45倍,有效地提高了发电效率。通过点灯实验,点亮了 304个LED灯,展示了其出色的输出性能,说明器件可以在相应的条件下稳定地为用电单元提供充足且稳定的能量来源。

关键词：摩擦纳米发电机无线传感器节点环境能量风能采集薄膜拍打

无电池智能电子芯片,零碳万物联网时代的绿色“引擎”

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科技纵览 2022年第8期 52-54页

作者：麦沛然中国科学院澳门大学科技学院电机及计算器工程系中国澳门

物联网不仅能够有效监测、分析和管理碳排放,还能通过技术的更新迭代以更可持续的方式促进“零碳”万物联网的发展。在此过程中,能够通过收集环境能量来满足芯片自身需求的能量自主智能芯片将起到关键作用。为此,中国澳门大学麦沛然教... 详细信息

物联网不仅能够有效监测、分析和管理碳排放,还能通过技术的更新迭代以更可持续的方式促进“零碳”万物联网的发展。在此过程中,能够通过收集环境能量来满足芯片自身需求的能量自主智能芯片将起到关键作用。为此,中国澳门大学麦沛然教授团队对无电池智能电子芯片展开深入研究,帮助各行各业升级转型,为“双碳”目标的实现提供有力支撑。

关键词：物联网智能芯片中国澳门大学智能电子升级转型环境能量碳排放有效监测