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科学技術日報記者李麗雲通信員霍萍
中国の「二重炭素」戦略はグリーン、環境保護、低炭素の生活様式を提唱し、これはグリーンエネルギー技術の絶えず発展と革新に頼っている。中国が再生可能エネルギーを大いに発展させている現在、磁気エネルギーなどの現実環境におけるマイクロエネルギーの回収再利用は多くの研究者の注目を集めている。
ハルビン工程大学水音工程学院と革新発展基地「海洋磁気センサと探査」チームの青年教師、副教授の貯蔵昭強は新型の弱磁気エネルギー収集器構造を研究設計し、モノのネットワークセンサを交換、電池の修理などの様々な人工的な煩雑な操作から免れることができ、弱磁気条件下の「自発電気」を実現し、その出力電力は伝統的な磁気エネルギー収集構造より約120%向上した。最近、この研究学術論文は「両端に磁気-力-電気捕獲エネルギーデバイスを挟む中で著しく増強された弱い磁気エネルギー回収性能」がエネルギー材料分野の国際有名な定期刊行物「先進エネルギー材料」でオンラインで発表された。
リサイクル環境におけるマイクロエネルギーの回収
「万物相互接続」は知能世界を作る重要なエンジンであり、モノのインターネット技術の急速な発展を促した。現在、ユビキタスネットワークの発展の大きな課題は、大規模で分散したセンシングネットワークの構築をサポートするために、センシング通信ノードの自己エネルギー供給技術を探すことである。
この技術の挑戦に対して、中国の多くの分野は解決の道を積極的に計画している。2021年国家重点研究開発計画「インテリジェントセンサ」重点特定項目は人体多パラメトリックバイオセンサが無線シーンの下で自給エネルギーをネットに入れる難題に対して、人体からエネルギーを得る自給エネルギー技術を研究することを提出した。2022年国家重点研究開発計画「インテリジェントセンサ」重点特定項目は電気ネットワーク状態感知分布式センサのエネルギー供給入網難題に対して、磁気電気結合自己エネルギー供給磁場敏感素子及びセンサのプロジェクトガイドラインを提出した。2022年、国家自然科学基金も宇宙用マイクロ圧電振動捕獲技術をガイドラインの範囲に組み入れた。
分布式エネルギー取得技術を発展させ、環境中のマイクロエネルギーの回収・再利用を実現することは重要な価値があり、国の省エネ・排出削減戦略に応え、炭素のピーク達成を支援する有効な措置でもあると言える。
環境マイクロエネルギーの回収利用については,振動エネルギー,放射エネルギー,近接場電磁エネルギーなど多くの収集可能エネルギーの中で,電力ケーブル,工業機械,家電などで発生する雑散磁気エネルギーは,その周波数固定と分布が広く,風力エネルギーなどの低周波エネルギー獲得効率よりも高いことから,研究者の注目を集めてきた。特に、インテリジェント電力網の建設を背景に、送電線路状態パラメータのオンラインモニタリングと故障診断は、架空ケーブルからエネルギーを捕獲し、持続可能な自己供給エネルギーセンシングネットワークを構築することが切実である。
小説「三体」に描かれているような美しい Shanghai New World Co.Ltd(600628) は、コップに電源、電池を必要とせず、自加熱することができ、空中の飛車も電池を必要としないが、絶えず飛ぶことができ、永遠に電気がないことはなく、電源がマイクロ波や他の形の電磁振動で発電された無線給電場である。この技術は実は現在携帯電話の無線充電に使われている技術です。最初は、このような従来のコイル式誘導取電装置にも目を向けた。しかし、この技術は体積が大きく、取り付けが不便で、短時間の大電流衝撃に耐えにくいなどの際立った問題がある。
そこで,磁気エネルギーから機械エネルギーに変換して電気エネルギー(MME)に再変換する捕獲装置の研究が始まり,この技術は次世代低周波磁場エネルギー収集の新しい選択になることが期待されている。
貯蔵昭強氏によると、この新しい捕獲素子は磁気トルク効果とヒステリシス伸縮効果を利用して、圧電効果を再利用して機械エネルギーと電気エネルギーの間の変換を実現し、コイル式誘導取電装置に必要な閉鎖磁気回路を必要とせず、より効率的なエネルギー変換と強い電流パルスに対するより高い耐性を実現できるという利点がある。
低電界エネルギー収集に適した新しい方法
貯蔵昭強は2016年から振動と磁場に接触するエネルギー収集技術を開始した。2016年から2021年まで,従来のカンチレバー式共振構造に基づく材料と素子の研究に力を入れてきた。これは、一端が固定され、他端が自由であり、自由端に質量ブロック(磁石)を付加するエネルギーコレクタ構造である。この構造は自由端磁性質量ブロックから駆動トルクを供給し，同時に90%を超える等価質量に寄与した。この場合，共振器50 Hz（Hz）の共振周波数を一定に維持するためには，自由端磁石の質量を単純に増加させることによって磁気‐力結合性能を増強することは困難である。そのため,現在多くの研究されているカンチレバー磁気‐機械‐電気部品は,強い磁場,すなわち5オス(Oe)磁場より大きいエネルギー収集に限られている。世界保健機関(WHO)は、公衆が接触できる50/60 Hzの交差磁場の安全閾値は1 Oeであり、環境中の不純物磁場の大きさも一般的にこの基準値を下回っていると指摘している。従って,低場エネルギー収集に適応する新しい原理と新しい方法を探索する必要もある。
「磁気−機械−電気捕獲素子が自由端磁性質量ブロックの等価質量をどのように低減するか」という思考に基づいて、貯蔵は大胆に革新し、両端挟持梁の設計構想を提出した。この設計は磁気‐機械‐電気捕獲素子の両端を固定し,二次振動モードを採用し,中心磁性質量ブロックの運動エネルギーを低減し,共振系の等価質量への寄与を低減し,磁石体積を増加させた場合,50 Hzの弱い場条件下でのシステムの出力性能を大幅に向上させた。
実験により,弱い磁気環境の同じ励起条件下で,このエネルギーコレクタが同単位時間で出力できる電気エネルギーは従来のカンチレバー構造の2倍以上であり,電池を装着していないセンサを正常に動作させ,携帯電話端末と通信接続できることが分かった。
貯蔵昭強氏は「科学研究の仕事の中で、重要な役割を果たすのは往々にして小さな、目立たない設計方法である。しかし、この方法の源は長期的な研究と思考に基づいているに違いない」と話した。
将来または水中の小型シミュレーションプラットフォームに使用
「現在、このような磁場に対するエネルギー収集技術の応用には限界があり、科学はいつも一つの問題を解決すると多くの新しい問題をもたらす過程である」。貯蔵昭強氏は科学技術日報の記者に対し、今後、両端挟持磁気-機械-電気捕獲エネルギーデバイスの材料面、幾何学面でのパラメータ設計をさらに最適化し、適応磁場変化範囲の増加とマイクロ化の集積をさらに実現することを主に考慮し、自給エネルギー磁場敏感素子の開発、電力網輸送変電知能感知と配用電気ネットワークのトポロジー関係識別などの応用に重要な技術を提供すると明らかにした。
同时に、チームはハルビン工程大学の船海科学研究の特色ある优位を结び付けて、水下の小型のシミュレーションプラットフォーム、例えば水下の机械鱼、无人の水下航行器などの超音波と磁界に基づく无线のエネルギー供给の技术を深く研究して、これは小型のシミュレーションプラットフォームなどのエネルギーの”取る”问题を解决することができるだけではなくて、同时にエネルギーの”供”の问题を解决します。
貯蔵昭強の所在するハルビン工程大学水音学院と革新発展基地「海洋磁気センサと探査」チームは2017年に設立され、絶えず発展し、チームは水下目標の多センシング探査の基礎理論、肝心な技術と工事応用を狙い、基礎磁気材料、磁気センサの開発、水下情報の感知と処理などの技術研究を全面的に展開した。
