石墨烯能量采集器：收集电磁辐射发电，无需电池也能供电

美国阿肯色大学跟密歇根大学组成了一个联合团队, 利用石墨烯来制造电感器, 还把钢制磁芯嵌进去, 以便增强磁场捕获效率。这个装置可以感应附近通电导线产生的环境电磁辐射, 再把它转化为一种微弱的电信号。

当交流电以60赫兹的频率流过导线时, 磁场的方向以及它的强度会在每一个秒钟里变化多达60次。这些磁场是在不停变化的, 并且它们当中是含有能量的。这些能量会穿过石墨烯电感器, 从而在这个元件的两端感应出非常弱的交流电压, 这是因为它们是完全遵从了传统变压器所使用的那一套相同的电磁感应原理的。

研究人员采取了考克饶夫-沃尔顿倍压电路这种方式, 把电感器输出来那么一点点微弱的交流信号进行整流处理，弄成了直流电, 然后通过好多级倍的压缩, 让电压一步一步地升高, 最后升到了温度传感器里面那些电子元件可以正常工作的那个状态水平。

这个转换系统是完全依靠那些采集得来的磁场能量去驱动的, 它是根本不需要任何外来的电源的, 这样一来, 它在根子上把那两个很难解决的技术问题给解决了, 一个是有关于交流信号不能直接去驱动直流传感器的, 另一个是关于感应出来的那个输出电压太低的那个问题。

团队放弃了以往那种传统的可充电电池的方案, 而是改用了使用三个电容器来储存采集到的那些电能的办法。

发明者保罗·蒂巴多教授指出, 电容器给设备补充电能的速度, 始终都要比传感器消耗电能的速度要快一些。

而且, 就是哪怕说附近的电源出现暂时断开的情况, 系统里面所储存的那一部分电能, 至少也还是可以支撑整个系统继续运行二十四个小时的。从比较乐观的角度来看的话, 这种情况说不定还能够持续长达一周的时间的。

整套系统的功耗是控制在纳瓦级别的, 也就是十亿分之一瓦的意思, 这个数值在理论上面来看仅仅是单只AirPods无线耳机的三千万分之一, 正是因为消耗的电量太低了, 所以哪怕磁场能量采集的速度是很慢的, 也还是足以让系统保持持续运行的状态。

研究人员采用的是量体裁衣那样的策略, 是专门定制的超低功耗温度传感器, 是让采集功率与消耗功率精准匹配, 是确保电容器里的电荷不会耗竭的, 是系统得以在周围存在电磁辐射的时候循环工作的。

这个技术跟那种有好多好多个监测点的大型工厂场景是对得上的, 因为温度传感器不用再去铺电源线的麻烦事, 也不用操心定期去换电池的烦恼, 它就一直在那儿盯着机械设备、管道还有周围环境的温度到底有什么变化, 这样的话就能让部署和维修所花的钱变得少很多很多。

团队现在仍然在探索其他的供电方式, 这些供电源包括了声能、太阳能、热能、动能还有非线性辐射等等, 他们的最终目标是要构建出一个完全自主性的多能源传感系统, 目前已经有的相关研究论文已经在《真空科学与技术杂志》这个刊物上面发表了。

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