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导读

近日，清华大学精密测量技术与仪器国家重点实验室的叶雄英教授课题组在纳米能源》(Nano Energy)发文，报道了一种基于碳纤维刷的开关型旋转式驻极体发电机，输出功率高达9.5mW，是原来的1.5倍。同时，为降低发电机的输出阻抗，将高压交流输出转换为低压直流为常规电子器件供电，课题组还设计了一种无源电源管路，能量转换效率高达68%。该工作为驻极体发电机等静电发电机的输出功率优化提供了有效的方法，为驻极体发电机走向实际应用迈出了坚实的一步。

文章概述

近年来，随着物联网和可穿戴设备的发展，出现了大量能耗不高但分布广泛的电子器件。使用化学电池为这些电子器件供电面临着诸多问题，如寿命短、需更换、有污染等等。同时，我们注意到，环境中广泛存在着各种各样的环境动能。若能将环境中的机械能高效地转换为电能，为这些电子器件供电，有望彻底解决物联网等器件的能源需求。驻极体发电机作为一种静电类发电机，其依靠预充在驻极体上的静电荷与电极之间的相对运动发电，具有能量密度高、低频特性好、寿命长等特点，可以高效地将机械能转换为电能。然而，作为一种静电类发电机，其内阻大、输出电压高（~ kV）、输出电流小（~ μA），无法直接为常规电子器件供电。同时，容性的内阻也造成了虚功的存在，降低了发电机的输出性能。

针对以上问题，叶雄英教授研究组基于碳纤维刷设计了一种开关式驻极体发电机。基于碳纤维刷的机械式开关随发电机的转动在特定的位置闭合，有效降低了发电机的无功损耗，提高了发电机的输出功率。同时，碳纤维刷开关的引入还有效降低了发电机自身的内阻，使得发电机的匹配负载从几十MΩ降低到了几十kΩ，并极大地提高了发电机的瞬时功率。随后，课题组基于开关式驻极体发电机，设计了基于LC电路的无源型电源管理电路，可以将发电机输出的高压交流脉冲转变为低压直流输出。电源管理电路的效率高达68%，直流功率可以达到4.5 mW。该成果以“Largely enhancing the output power and charging efficiency of electret generators using position-based auto-switch and passive power management module”为题发表在Nano Energy上。文章的第一作者为清华大学博士研究生曹泽元，叶雄英教授为本文的通讯作者。

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Cao Zeyuan, Wang Shiwen, Bi Mingzhao, and Ye Xiongying. Largely enhancing the output power and charging efficiency of electret generators using position-based auto-switch and passive power management module, Nano Energy. 66 104202 (2019).

DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104202

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