混合能量收集装置：同时获得机械能和磁能用于提高自身输出功率

该混合能量收集装置含一悬臂梁，该悬臂梁由磁致伸缩/压电材料构成，可同时收集到磁能和机械能。
图片来源：徐等人，2018年美国物理研究所

      最近，一种新的混合能量收集装置可能会满足某些低功率电子设备对电池的需求，即取代这些电子设备里面的电池。新装置可以从机械振动和磁场中收集环境浪费的能量，然后经转换产生持续的电力，这些电力足够用来运行无线传感器、心脏起搏器等其他电子设备。

      清华大学的楚傅雷领导的研究团队在最近一期的“应用物理快报”上发表了一篇关于新型混合能源收集装置的论文

      在最近几年里，废弃能量收集装置作为替代低功率设备中电池的一个重要选择，变得越来越吸引大家的关注。电池由于其寿命有限，所以必须定期更换或进行再充电。相比之下，能量收集装置可以完美地、独立地运行更长的时间。

      能量收集装置面临的最大挑战之一是：要保证能够为实际应用提供足够的动力。有多种方法可以增加能量收集装置的输出功率，其中一种是同时收集至少两种形式的废弃能源。收集机械能或磁能的装置有很多种，并且机械能和磁能通常会在如旋转电机等工业设备中一起出现，但是很少有装置可以同时收集这两种形式的能量。

      研究人员在这项新的研究中发现，机械能和磁能是存在“相互作用”的，它们结合在一起共同提供电力时的输出功率会超过使用单一能源的最佳功率水平。研究人员用磁致伸缩/压电叠层材料制成了一种悬臂梁结构，该结构能够在磁场和振动的作用下运动，从理论和实验上证明了上述先进特性。

      楚傅雷说：“我们提出了一个新想法：利用收集两种不同的能量可以实现高输出功率的特点，并研究它们之间的相互作用。据我们所知，人们已经花费了几十年的时间来研究能源收集装置。虽然用了许多不同的方法来优化这些装置，但是每种方法都有其缺点。突破单一能源收集装置的限制是既困难又有趣的。此外，揭示不同种类能源的相互作用关系对整个装置的研究工作是十分重要的。”

      该团队的研究人员在他们的研究过程中发现，输出功率受机械激励频率和磁激励频率影响。如果频率相同，那么它们的相位差(一个波相对于另一个波移动多少)直接影响输出电压。另一方面，如果频率不同，相位差对输出电压的影响很小，混合输出电压实际上不再是简单的正弦波。

      有了这些实验总结，研究人员成功优化了混合能量收集装置的能量容量、可靠性和最佳输出功率。总体而言，他们相信设备性能的改进已经表明了，混合能量收集装置是未来最有希望替代低功率电子产品电池的一种方案。

      楚傅雷表示：“我们计划未来在能源收集领域进行更深入的研究。除了本文的进一步深入研究外，我们将重点研究风能、波浪能和更多智能材料在能源系统中的应用。”