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大连海事大学科研团队在声波能量收集研究方面取得重要进展

发布时间:2019-11-15 17:27:39 发布人:杨耐寒  审核人:李天镇

声波是我们周围能量的一种重要形式,它广泛存在于环境中。但由于其能量密度低,声波能量是一种普遍却被废弃的能源。因此,对声波能量进行收集与利用成为科学研究的重要课题。在声波能量收集领域,研究人员通常使用能源材料和传统的声波结构来追求高能量输出与宽响应频带,然而仍然缺乏成熟的理论与有效的技术手段。

近日,轮机工程学院徐敏义教授课题组与佐治亚理工学院、中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士合作,在声波能量收集领域取得重要进展,提出了一种基于摩擦纳米发电机的声能高效收集新方法。这种方法创新性地使用双管亥姆赫兹共振腔结构提高声波能量收集效果。同时,该研究将摩擦电纳米发电机理论与声学传播理论相结合,解释了声学结构,声波力学条件和薄膜张力对能量收集器的影响,为提高声波能量收集器输出性能和拓宽响应频带提供了理论指导。此研究还综合比较了电磁,压电和摩擦电纳米发电机在不同声学条件下的输出性能,结果表明该研究提出的新型摩擦纳米发电机最高可产生1.23 V 单位面积的声学灵敏度1.82 W 单位声压的功率密度),这比以往文献报道的最好结果分别提高了60%20%。研究工作为实现声波能量高效收集开拓了新方向,亦在物联网节点能量供给、自驱动声波传感等领域具有潜在应用价值。

相关研究成果以Dual-tube Helmholtz resonator-based triboelectric nanogenerator for highly efficient harvesting of acoustic energy”(基于双管亥姆霍兹共振腔摩擦纳米发电机的声能高效采集)为题,于20191115日在Advanced Energy Materials(《先进能源材料》)(影响因子24.88)上在线发表。论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201902824大连海事大学为该论文的第一完成单位,轮机工程学院2018级硕士研究生赵洪发、助理教授肖秀为论文共同第一作者,轮机工程学院徐敏义教授与佐治亚理工学院王中林院士为共同通讯作者,广东海洋大学潘新祥教授,北京大学米建春教授,大连海事大学轮机工程学院副教授宋立国、研究生赵天聪、徐鹏参与了本课题的研究。该研究获得国家自然科学基金项目(518790225197904551906029),中央高校基本科研业务费(3132019037313201919731320191963132019331),大连青年科技之星项目(2018RQ12)等资助。

1 不同类型亥姆霍兹共振腔摩擦纳米发电机的几何结构、输出特性、传输损失对比实验与理论分析。

图2 基于双管亥姆霍兹共振腔摩擦纳米发电机的声能高效采集与声波传感演示实验