面向电网自供电传感的电场-振动与电-磁协同复合取能技术
汇报人：陈赦 汪1、孙秋芹1、钟理鹏1、李祎2、徐思行3胡东阳、王前旺、黄小龙、吴祖汾、金雨潇、康靖 1湖南大学电气与信息工程学院2武汉大学电气与自动化学院3湖南大学半导体学院（集成电路学院） 一、研究背景 1.电力装备自取能供电技术研究现状2.复合取能技术研究现状 二、研究内容 1.基于感应电荷激励机制的电场-振动复合能量采集技术2.基于磁场-电场协同驱动机制的复合能量采集技术 目录Contents 三、纟结论与展望 PartM01研究背景 研究背景1.1自取电供电技术研究现状 电力设备复杂的工作环境为这些分布式监测装置的稳定供电带来了巨大挑战。 自取能技术的发展为电力设备自供电传感提供了可行方案。长期免维护运行的特点更适合电力装备分布式状态感知需求，可大幅降低人工运维成本。 俘获电磁能、太阳能、振动能和风能等取能技术相应发展，传统太阳能供电由于面板积尘、覆冰积雪等原因，在恶劣天气条件下输出功率较低：电池在低温环境容量骤减甚至失效。 研究背景1.2复合取能技术研究现状 取能器大多只能将某一种特定的能量源转化为电能，这导致了取能器受外界环境因素影响大在输出功率、供电可靠性和适用场景等方面存在不足。 复合取能器可以同时俘获两种或多种能量，具有更高的功率密度和供电可靠性，能够适用于更多的使用场景。 目前典型的复合取能器是多个取能器件的直接组合，装置结构较复杂，多种能量间的高效电源管理较为困难，整体的能量转换效率有待提升。 PartM02研究内容 2.1基于感应电荷激励机制的电场-振动复合能量采集技术 电网中电场能量和振动能量十分丰富。麦克斯韦位移电流由两分量组成，分别为E/t和ap/ t位移电流的两个分量分别在电气工程和纳米能源领域得到了广泛应用和研究。 具有同源性基于麦克斯韦位移电流的电场一振动复合取能器Electric-field and vibration hybrid energy harvester((EVHEH) 2.1基于感应电荷激励机制的电场-振动复合能量采集技术 前期工作已实现复合能量收集器，但各能量源相对独立功率仍有待提高，没有实现，协同增益” 基于风能-电场协同取能，提出一种基于感应电荷激励的复合能量采集器（ICE-EVH）。 将电场感生电荷注入接触-分离式摩擦纳米发电机中，可显著提升输出性能 经电荷激励和功率管理后，1CE-EVH实现了峰值功率密度5.15MW/m2、平均功率密度1.02W/m?，其性能超越了各单独部分的总和 2.1基于感应电荷激励机制的电场-振动复合能量采集技术 工作原理与电荷激励 >ICE-EVH的输出由两个阶段驱动：感应电荷激励阶段和振动增强能量转换阶段。 >可通过“水杯模型”进行形象说明：水杯代表电极，水量代表电荷，水位对应电势。 感应电荷的增加相当于“水量增加”，而机械振动的抬升作用则提升了“势能”从而显著增强整体输出。 2.1基于感应电荷激励机制的电场-振动复合能量采集技术 通过电荷激励实现性能提升 >TENG能量采集器可驱动708颗串联 LED; >EEH能量采集器可驱动472颗LED; 基于感应电荷激励机制的能量采集器（电极有效面积0.013m）可点亮11,328颗LED，充分展示了电荷激励策略的高效性。 2.1基于感应电荷激励机制的电场-振动复合能量采集技术 通过抑制电荷衰减与静电击穿来提升ICE-EVH的性能 输出性能随激励电压的提高而增强，但过高电压会导致绝缘问题及电荷衰减； >较高的TENG振动频率可提升能量采集效率； >优化的四层非对称电极结构使电极绝缘性能提升至10kV以上； >在50000次循环后仍保持稳定输出，展现出优异的耐久性。 2.1基于感应电荷激励机制的电场-振动复合能量采集技术 通过功率管理实现ICE-EVH输出能量最大化 》高效功率管理电路设计 >同步开关S，的工作机理（精确电荷释放，最大化Q-U曲线面积）>输出功率随负载电阻变化关系>高功率LED阵列（1200W的脉冲模式点亮展示 2.1基于感应电荷激励机制的电场-振动复合能量采集技术 应用演示：基于感应电荷激发能量采集的自供电输电线路图像监测系统 紧型PCB集成激励与功率管理模块采用堆叠电极结构，实现峰值功率1W自供电图像监测与无线通信（间隔时间<15分钟） Hu,D,ChenShe*.(2025).Anultrahighperformancehybridenergyharvesterleveragingtheinducedchargeexcitationstrategy.Energy&EnvironmentalScience,18(10),4665-4676 IF=32.4封面论文 基于电场-磁场协同驱动机制的复合能量采集技术 2.2基于磁场-电场协同驱动机制的复合能量采集技术 电场与磁场中蕴含看丰富的能量，但传统磁场能量采集器往往体积较大，重量较重 本研究提出了一种轻量化的电磁场能量采集器（EMF-EH）集成了磁驱动摩擦电式换能器（M-TENG）与电场能量采集模块（E-EH）。 磁场模块将交变磁场转换为驱动TENG的机械振动，而电场模块通过电容耦合方式采集电场能量。 能量采集器实现了127W/cm3的体积功率密度和186uW/g的质量功率密度。 2.2基于磁场-电场协同驱动机制的复合能量采集技术 工作原理 电场感应仿真 仿真结果表明，在交变电场中电极形成电位差，从而实现能量采集。 磁驱动TENG仿真 有限元分析揭示了在交变磁场驱动下，TENG内部的电荷转移过程。 磁振动工作机理 基于磁力模型的分析表明，磁体在交变磁场中产生振动，从而实现电能输出。 2.2基于磁场-电场协同驱动机制的复合能量采集技术 >电场能量采集器（EF-EH）的优化与输出性能 实验装置与测量系统利用双高压探针采集并分析电极电压波形输出性能随输电线路电压的变化关系在10kV条件下，80MQ负载实现4.6mW峰值功率 2.2基于磁场-电场协同驱动机制的复合能量采集技术 磁场能量采集器（MF-EH）输出性能的参数影响分析 实验装置与测量系统的搭建磁参数的仿真分析在45-70Hz范围内实现稳定的磁场响应在500A条件下，阻性负载为5MQ时实现1.3mW峰值功率 2.2基于磁场-电场协同驱动机制的复合能量采集技术 应用演示与验证：基于磁驱动摩擦电一电场协同机制的自供电无线传感系统 验证电场能量采集器与磁驱动TENG的性能 集成电磁场能量采集器驱动无线温度监测与报警系统在电力系统中的应用 PartY03结论与展望 结论与展望 发展趋势 》主要结论 紧模块化设计，配备智能控制通过集成结构与智能能量管理实现高效率。可自适应且可扩展部署，适用于多样化应用场景支持在不同场景下为各类传感设备提供灵活的能源供应。 风能+电场：多源收集确保供能稳定性、结构简单，输出性能好电场+磁场：高效收集电磁场能量、轻量化设计实现高功率密度。 感谢各位专家！ 面向电网自供电传感的电场-振动与电磁协同复合取能技术 汇报人：陈放 汪1、孙秋芹1、钟理鹏1、李祎2、徐思行胡东阳、王前旺、黄小龙、吴祖汾、金雨潇、康靖 1湖南大学电气与信息工程学院2武汉大学电气与自动化学院3湖南大学半导体学院（集成电路学院） 湖南大学 2025.11.23上海