科学家研发石墨烯能量采集器：可从环境电磁辐射中“隔空取电”，为传感器供电
IT之家 11 月 8 日消息，雷神托尔（Thor）是北欧神话里的雷电之神，以能凭空召唤闪电著称。事实证明，要实现类似效果未必需要一把魔法锤子——科学家近日研发出一种新型装置，能收集环境中的电磁辐射，并将其转化为电能。
IT之家注意到，来自阿肯色大学和密歇根大学的研究人员开发出一种基于石墨烯的能量采集装置，能利用附近电线产生的环境辐射发电。
研究人员用这项技术搭了一套无需电池的温度传感系统，包括能量采集器、电能转换电路、储能电容器以及超低功耗温度传感器。整套系统不用有线供电，靠电磁感应取电，供传感器运行。
那么，电线周围的环境辐射究竟是怎么给独立设备供电的？
电流流过导线时，会在周围产生磁场。对交流电（AC）来说，电流不断变化，磁场的方向和强度也会持续改变。这套系统的开发地美国采用 60Hz 交流电，也就是电流每秒完成 60 次周期变化。这些不断变化的磁场里就藏着能量。
研究人员找到了捕获其中一部分磁场能量并转化为电能的方法，产生的电力足以驱动一枚微型温度传感器。
具体来说，他们用石墨烯做了一个电感器，并加入钢制磁芯，增强捕获磁场的能力。当电感器靠近电源线时，变化的磁场穿过电感器，会在其两端感应出微弱的交流电压。这个过程的原理正是电磁感应，也是传统变压器和发电机的基本工作原理。
不过，这种微弱电信号还不能直接驱动电子元件。
首先，电感器输出的是交流电，而温度传感器需要直流电（DC）；其次，产生的电压太低，没法稳定驱动任何设备。所以还需要装置的另一部分：电能转换电路和储能系统。
研究人员设计了一套基于考克饶夫-沃尔顿（Cockcroft-Walton）倍压电路的转换系统，把交流信号整流为直流电，并逐步升压到传感器电子元件所需的水平。
储能方面，他们没用传统的可充电电池，而是用三个电容器来存采集到的电能。这些电容器能逐步积累电荷。研究人员表示，能量采集器补电的速度超过了温度传感器耗电的速度。
即便经过上述处理，系统产生的电能还是太少，驱动不了普通电子设备。为了解决这个问题，研究人员走的是量体裁衣的思路——专门设计了一套超低功耗温度传感系统，把功耗压到纳瓦级，也就是十亿分之一瓦。
作为对比，这套系统的功耗理论上约为单只 AirPods 耳机的 3000 万分之一。
石墨烯电感器采集能量的速度虽然偏慢，但研究人员表示，它给电容器补电的速度仍然快于传感器的消耗速度。只要周围有足够的电磁能量，系统就能一直运行。
另外，电容器还能储存多余电能。就算附近电源线暂时断电，传感器也能靠之前存的电荷继续干活。研究人员表示，储存的电能至少能让系统运行 24 小时，甚至可能撑到一周。
石墨烯能量采集器的发明者、保罗·蒂巴多（Paul Thibado）教授表示：“电感器给这些电容器补充电荷的速度比较慢，但仍然快于传感器消耗电容器电荷的速度。因此，即使电源断电，系统依然可以从电容器中获取电荷。按照我们的设计方式，它轻松就能运行 24 小时，甚至可能持续一周。”
总的来说，研究人员做出了一套温度传感系统，通过专用石墨烯能量采集器，从环境辐射中获取极其微量的电能。只要附近电线还在通电，这套独立运行的系统就能持续执行温度监测任务。
这项技术一个颇具潜力的应用场景，是拥有大量设备的大型工业设施。比如工厂可能要部署数千个温度传感器，持续监测机械设备、管道以及周围环境。传统方案要么铺设电源线，增加系统部署和维护的复杂程度；要么依赖电池供电，而电池迟早要换。
用上这套装置后，大量传感器有望摆脱有线供电，也不用定期更换或给电池充电。
不过，这项技术目前还有一些限制，需要明确说明。
首先，研究人员展示的能量采集装置需要靠近强度足够的变化磁场，也就是附近必须有合适的通电线路，它并不能在任意环境里凭空发电。
其次，研究人员还没证明系统能在完全放电的状态下自行启动。在实验中，电容器最初已经充好电，处理器也已预先编程。
最后，这套系统的输出功率只有纳瓦级，几乎只能驱动专门设计的温度传感器。所以暂时别指望手机很快就能实现所谓的“空气充电”。
尽管研究团队目前把温度传感器作为概念验证，但他们认为这套系统未来能用于多种低功耗传感设备，应用领域包括产品追踪、大气环境监测、物流车队管理、土壤监测、可穿戴健身设备以及医疗监测等。
此外，研究人员还在探索从其他来源取电的可能性，包括声能、非线性辐射、太阳能、热能、动能以及环境辐射等。团队的最终目标是开发能从环境中多种能源取电、无需外部供电的自主传感系统。
相关研究论文已发表于《真空科学与技术杂志》（Journal of Vacuum Science and Technology）。
参考资料：
- [https://pubs.aip.org/avs/jvb/article-abstract/44/6/062401/3406852/Graphene-powerline-energy-harvester-powers-a](https://pubs.aip.org/avs/jvb/article-abstract/44/6/062401/3406852/Graphene-powerline-energy-harvester-powers-a)
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原文链接：[点击查看](https://www.ithome.com/1/023/882.htm)
IT之家注意到，来自阿肯色大学和密歇根大学的研究人员开发出一种基于石墨烯的能量采集装置，能利用附近电线产生的环境辐射发电。
研究人员用这项技术搭了一套无需电池的温度传感系统，包括能量采集器、电能转换电路、储能电容器以及超低功耗温度传感器。整套系统不用有线供电，靠电磁感应取电，供传感器运行。
那么，电线周围的环境辐射究竟是怎么给独立设备供电的？
电流流过导线时，会在周围产生磁场。对交流电（AC）来说，电流不断变化，磁场的方向和强度也会持续改变。这套系统的开发地美国采用 60Hz 交流电，也就是电流每秒完成 60 次周期变化。这些不断变化的磁场里就藏着能量。
研究人员找到了捕获其中一部分磁场能量并转化为电能的方法，产生的电力足以驱动一枚微型温度传感器。
具体来说，他们用石墨烯做了一个电感器，并加入钢制磁芯，增强捕获磁场的能力。当电感器靠近电源线时，变化的磁场穿过电感器，会在其两端感应出微弱的交流电压。这个过程的原理正是电磁感应，也是传统变压器和发电机的基本工作原理。
不过，这种微弱电信号还不能直接驱动电子元件。
首先，电感器输出的是交流电，而温度传感器需要直流电（DC）；其次，产生的电压太低，没法稳定驱动任何设备。所以还需要装置的另一部分：电能转换电路和储能系统。
研究人员设计了一套基于考克饶夫-沃尔顿（Cockcroft-Walton）倍压电路的转换系统，把交流信号整流为直流电，并逐步升压到传感器电子元件所需的水平。
储能方面，他们没用传统的可充电电池，而是用三个电容器来存采集到的电能。这些电容器能逐步积累电荷。研究人员表示，能量采集器补电的速度超过了温度传感器耗电的速度。
即便经过上述处理，系统产生的电能还是太少，驱动不了普通电子设备。为了解决这个问题，研究人员走的是量体裁衣的思路——专门设计了一套超低功耗温度传感系统，把功耗压到纳瓦级，也就是十亿分之一瓦。
作为对比，这套系统的功耗理论上约为单只 AirPods 耳机的 3000 万分之一。
石墨烯电感器采集能量的速度虽然偏慢，但研究人员表示，它给电容器补电的速度仍然快于传感器的消耗速度。只要周围有足够的电磁能量，系统就能一直运行。
另外，电容器还能储存多余电能。就算附近电源线暂时断电，传感器也能靠之前存的电荷继续干活。研究人员表示，储存的电能至少能让系统运行 24 小时，甚至可能撑到一周。
石墨烯能量采集器的发明者、保罗·蒂巴多（Paul Thibado）教授表示：“电感器给这些电容器补充电荷的速度比较慢，但仍然快于传感器消耗电容器电荷的速度。因此，即使电源断电，系统依然可以从电容器中获取电荷。按照我们的设计方式，它轻松就能运行 24 小时，甚至可能持续一周。”
总的来说，研究人员做出了一套温度传感系统，通过专用石墨烯能量采集器，从环境辐射中获取极其微量的电能。只要附近电线还在通电，这套独立运行的系统就能持续执行温度监测任务。
这项技术一个颇具潜力的应用场景，是拥有大量设备的大型工业设施。比如工厂可能要部署数千个温度传感器，持续监测机械设备、管道以及周围环境。传统方案要么铺设电源线，增加系统部署和维护的复杂程度；要么依赖电池供电，而电池迟早要换。
用上这套装置后，大量传感器有望摆脱有线供电，也不用定期更换或给电池充电。
不过，这项技术目前还有一些限制，需要明确说明。
首先，研究人员展示的能量采集装置需要靠近强度足够的变化磁场，也就是附近必须有合适的通电线路，它并不能在任意环境里凭空发电。
其次，研究人员还没证明系统能在完全放电的状态下自行启动。在实验中，电容器最初已经充好电，处理器也已预先编程。
最后，这套系统的输出功率只有纳瓦级，几乎只能驱动专门设计的温度传感器。所以暂时别指望手机很快就能实现所谓的“空气充电”。
尽管研究团队目前把温度传感器作为概念验证，但他们认为这套系统未来能用于多种低功耗传感设备，应用领域包括产品追踪、大气环境监测、物流车队管理、土壤监测、可穿戴健身设备以及医疗监测等。
此外，研究人员还在探索从其他来源取电的可能性，包括声能、非线性辐射、太阳能、热能、动能以及环境辐射等。团队的最终目标是开发能从环境中多种能源取电、无需外部供电的自主传感系统。
相关研究论文已发表于《真空科学与技术杂志》（Journal of Vacuum Science and Technology）。
参考资料：
- [https://pubs.aip.org/avs/jvb/article-abstract/44/6/062401/3406852/Graphene-powerline-energy-harvester-powers-a](https://pubs.aip.org/avs/jvb/article-abstract/44/6/062401/3406852/Graphene-powerline-energy-harvester-powers-a)
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原文链接：[点击查看](https://www.ithome.com/1/023/882.htm)
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