Repórter diário de Ciência e Tecnologia Li Liyun correspondente Huo Ping
A estratégia de “duplo carbono” da China defende um estilo de vida verde, ecológico e de baixo carbono, que depende do desenvolvimento contínuo e inovação da tecnologia de energia verde. Com o desenvolvimento vigoroso de energia renovável na China, a reciclagem de micro energia no ambiente real, como a energia magnética atraiu a atenção de muitos pesquisadores.
Chu Zhaoqiang, um jovem professor e professor associado da equipe de “sensor magnético marinho e detecção” da escola de engenharia acústica subaquática e inovação e desenvolvimento base da Harbin Engineering University, estudou e projetou uma nova estrutura de coletor de energia magnética fraca, que pode evitar todos os tipos de operações manuais pesadas, como substituir e reparar a bateria do sensor Internet das coisas, realizar “auto geração” sob a condição de campo magnético fraco, e sua potência de saída é cerca de 120% maior do que a da estrutura tradicional de coleta de energia magnética. Recentemente, o artigo acadêmico de pesquisa “melhorou significativamente o desempenho fraco da recuperação de energia magnética em dispositivos de captura de energia elétrica da força magnética apertados em ambas as extremidades” foi publicado on-line na famosa revista internacional materiais avançados da energia no campo dos materiais da energia.
Reciclagem de microenergia no ambiente
“Interconexão de todas as coisas” é um motor importante para a construção de um mundo inteligente, e também dá origem ao rápido desenvolvimento da tecnologia Internet das coisas. Atualmente, um grande desafio no desenvolvimento da Internet das coisas é encontrar a tecnologia auto-alimentada de nós de comunicação de sensores para apoiar a construção de redes de sensores de grande escala e distribuídas.
Em resposta a este desafio técnico, muitos campos na China estão ativamente planejando resolvê-lo. O plano-chave nacional de pesquisa e desenvolvimento “sensor inteligente” em 2021 concentra-se no problema do fornecimento de auto-energia e do acesso à rede de biossensores humanos multi-parâmetros na cena sem fio, e apresenta a tecnologia de auto-fornecimento de energia para obter energia do corpo humano; O principal plano nacional de pesquisa e desenvolvimento “sensor inteligente” em 2022 centra-se no problema do fornecimento de energia e acesso de sensores distribuídos para detecção de estado da rede de distribuição e consumo, e apresenta o guia de projeto de acoplamento magnetoelétrico auto alimentado elementos e sensores sensíveis ao campo magnético; Em 2022, a Fundação Nacional de Ciência Natural da China também incluiu a pesquisa sobre tecnologia de captura de energia de vibração piezoelétrica micro para o espaço aéreo no escopo do guia.
Pode-se dizer que o desenvolvimento de tecnologia de aquisição de energia distribuída para realizar a reciclagem e reutilização de micro energia no meio ambiente é de grande valor, é também uma medida eficaz para responder à estratégia nacional de conservação de energia e redução de emissões e ajudar a atingir o pico de carbono.
Para a reciclagem da microenergia ambiental, entre muitas fontes de energia coletável, como energia de vibração, energia de radiação e energia eletromagnética de campo próximo, a energia magnética perdida gerada por cabos de energia, máquinas industriais e eletrodomésticos tem sido dada mais atenção pelos pesquisadores devido à sua frequência fixa e ampla distribuição, que é mais eficiente do que a energia de baixa frequência, como a energia eólica. Especialmente no contexto da construção de uma rede inteligente, o monitoramento on-line e o diagnóstico de falhas dos parâmetros de estado da linha de transmissão precisam urgentemente capturar energia de cabos aéreos para construir uma rede de sensores de fornecimento de energia auto sustentável.
Assim como o belo Shanghai New World Co.Ltd(600628) , descrito nos três corpos novos, o copo pode ser aquecido por si só sem fonte de alimentação e bateria, e o carro voador no ar pode voar sem bateria, mas nunca haverá eletricidade. É um campo de fonte de alimentação sem fio formado pela fonte de alimentação usando microondas ou outras formas de vibração eletromagnética para gerar eletricidade. Esta tecnologia é, na verdade, a tecnologia usada atualmente para o carregamento sem fio de telefones celulares. No início, as pessoas também prestaram atenção a este dispositivo tradicional de coleta de energia de indução de bobina. No entanto, esta tecnologia tem alguns problemas proeminentes, tais como grande volume, instalação inconveniente e difícil de suportar o impacto atual alto a curto prazo.
Portanto, as pessoas começaram a estudar um dispositivo de captura de energia que converte energia magnética em energia mecânica e depois em energia elétrica (MME), que se espera tornar uma nova escolha para a próxima geração de coleta de energia de campo magnético de baixa frequência.
Chu Zhaoqiang introduziu que este novo dispositivo de captura de energia usa o efeito de torque magnético e efeito de expansão de histerese, e então usa o efeito piezoelétrico para realizar a conversão entre energia mecânica e energia elétrica. Sua vantagem é que não precisa do circuito magnético fechado exigido pelo dispositivo de tomada de energia de indução da bobina, e pode realizar conversão de energia mais eficiente e maior tolerância a pulsos de corrente fortes.
Um novo método para coleta de energia de baixo campo
Chu Zhaoqiang foi exposto à vibração e tecnologia de coleta de energia de campo magnético desde 2016. De 2016 a 2021, ele se comprometeu com a pesquisa de materiais e dispositivos baseados na estrutura ressonante cantilever tradicional. Esta é uma estrutura do coletor de energia com uma extremidade fixa e a outra extremidade livre, e um bloco de massa (ímã) é adicionado na extremidade livre. Esta estrutura é acionada pelo bloco de massa magnética de extremidade livre, que contribui com mais de 90% da massa equivalente. Neste caso, se a frequência ressonante do ressonador em 50 Hz (Hz) deve ser mantida inalterada, é difícil melhorar o desempenho de acoplamento de força magnética simplesmente aumentando a massa do ímã de extremidade livre. Por esta razão, a maioria dos dispositivos elétricos mecânicos magneto cantilever estudados atualmente são limitados apenas à coleta de energia do campo magnético forte, isto é, campo magnético maior do que 5 OE. A Organização Mundial da Saúde aponta que o limiar de segurança de 50/60Hz campo magnético alternado acessível ao público é 1oe, e o campo magnético disperso no ambiente é geralmente inferior a esse valor de referência. Portanto, também é necessário explorar novos princípios e métodos adequados para a coleta de energia de baixo campo.
Com base no pensamento de “como reduzir a massa equivalente do bloco de massa magnética na extremidade livre do dispositivo magnético mecânico de captura de energia elétrica”, Chu Zhaoqiang corajosamente inovou e apresentou uma ideia de design de feixe de fixação em ambas as extremidades. Este projeto corrige ambas as extremidades do dispositivo magnético mecânico de captura de energia elétrica, adota um modo de vibração de segunda ordem, reduz a energia cinética da massa magnética central, reduzindo assim sua contribuição para a massa equivalente do sistema ressonante, e melhora muito o desempenho de saída do sistema sob a condição de campo fraco de 50Hz, aumentando o volume do ímã.
Experimentos mostram que sob as mesmas condições de excitação no ambiente magnético fraco, a saída de energia elétrica do coletor de energia no mesmo tempo unitário é mais do que o dobro da estrutura tradicional do modilhão, que pode fazer o sensor sem bateria funcionar normalmente e se comunicar com o terminal do telefone móvel.
“Na pesquisa científica, um método de design pequeno ou mesmo insignificante muitas vezes desempenha um papel fundamental, mas a fonte deste método deve ser baseada em pesquisa e pensamento de longo prazo”, disse Chu Zhaoqiang.
Plataforma biónica subaquática futura ou pequena
“Atualmente, esta tecnologia de coleta de energia para campo magnético tem certas limitações na aplicação. A ciência sempre resolve um problema e traz muitos problemas novos.” Chu Zhaoqiang disse ao Science and Technology Daily que, no futuro, ele considerará principalmente otimizar ainda mais o projeto de parâmetros de dispositivos de captura de energia elétrica de máquinas magnéticas grampeados em ambas as extremidades em termos de material e geometria, percebendo ainda mais a integração de aumentar a faixa de variação de campo magnético adaptativo e miniaturização, e fornecendo tecnologias-chave para o desenvolvimento de elementos sensíveis ao campo magnético auto alimentados, detecção inteligente de transmissão de energia e transformação da rede de energia e identificação da relação topológica da rede de distribuição de energia.
Chu Zhaoqiang também disse que a equipe combinará as características e vantagens da pesquisa científica do mar do navio da Harbin Engineering University para estudar profundamente a tecnologia de fornecimento de energia sem fio baseada em ultra-som e campo magnético para pequenas plataformas biônicas subaquáticas, como peixes robóticos subaquáticos e veículos subaquáticos não tripulados, que podem não só resolver o problema de “tomar” energia, como pequenas plataformas biônicas, mas também resolver o problema de “fornecer” energia.
A equipe de “sensor magnético marinho e detecção” de Chu Zhaoqiang na escola de acústica subaquática e inovação e base de desenvolvimento da Harbin Engineering University foi estabelecida e desenvolvida continuamente em 2017.Visando a teoria básica, tecnologias-chave e aplicações de engenharia da detecção subaquática de multi-sensor alvo, a equipe realizou pesquisa técnica abrangente em materiais magnéticos básicos, desenvolvimento de sensores magnéticos, detecção de informações subaquáticas e processamento.
