生命不止,能量不息——植入式摩擦纳米发电机的研究与应用

 2012年,研究人员提出了一种将机械能转化为电能的摩擦纳米发电机（TENG）,该技术近年来得到了飞速发展,实现了对人体运动能、风能、声波能、海洋能等各种机械能的收集。其中植入式摩擦纳米发电机（iTENG）可将生物体内的心跳、呼吸肌运动等生物机械能转化为电能并驱动有源植入式医疗器件,可显著提高可植入式医疗器件的使用寿命,在未来植入式医疗行业中有着潜在的应用前景。本文综述了iTENG的结构、工作原理、输出性能及其在有源植入式医疗器件供能应用等方面的最新研究进展,并在此基础上进一步分析iTENG应用到临床治疗所面临的挑战。     

浅水域探测型无人水下航行器海洋动能发电装置特性研究

为了解决浅水域探测型无人水下航行器探测模块长时连续工作时对能源的需求,设计了基于海洋动能的晃动发电装置,根据拉格朗日方程建立了航行器与晃动摆耦合的运动方程,最后根据简化的运动方程,采用龙格库塔方法求解并分析了影响晃动发电性能的因素,研究了不同海况下航行器运动幅度、周期、摆长、质量、转动惯量等参数以及不同运动耦合对发电性能的影响。在2级海况下,最佳电机阻尼系数为5.4N·m·s/rad,3种激励运动耦合时发电装置平均功率能够达到0.5W。研究分析表明,提出的基于海洋动能发电装置模型是合理可行的,在一般海况下,能够满足探测模块的能源需求,同时发现运动幅度、周期、摆长、质量以及耦合横摇运动对发电性能影响较大,转动惯量以及耦合垂荡运动对其影响较小。研究结果为后期晃动发电机的研制、工程试验及优化,提供了一定的理论基础与借鉴。     

海洋动能发电装置在水下探测航行器的安装位置对发电性能的影响

为了研究海洋动能发电装置在水下探测航行器中的安装位置对其发电性能的影响,根据拉格朗日方程建立了水下探测航行器与晃动摆的耦合非线性运动方程,在不同的阻尼系数和横摇激励频率下,采用龙格库塔方法分别对海洋动能发电装置安装位置对发电性能的影响进行了数值分析。研究结果表明:海洋动能发电装置的安装距离(晃动摆的摆动中心到航行器质心的距离)为零时,在横摇固有频率激励下,系统收集能量为零;安装距离不为零时,能量收集系统在固有频率附近呈现振动系统所有的特性;收集的功率与安装距离为二次方关系,且在不同频率时,在安装距离为零附近都有一零功率点,说明发电装置安装距离应尽量避免为零,且这一安装位置与阻尼系数无关,而与频率有关。研究结果将为后期海洋动能发电装置的安装布放提供借鉴。     

微网中电能质量调节器的稳定性及其容量分析

针对新能源分布式发电构成的微网电能质量问题,介绍了一种综合型电能质量调节方案.通过调节器串联部分抑制分布式新能源发电间歇性等因素带来的电压质量问题,利用调节器的串联侧消除非线性负载向微网注入的谐波电流.在此基础上,分析了系统的稳定性及其容量与相关参数之间的关系,并进行了仿真.结果表明,并联侧等效电阻是影响系统稳定的一个重要因素,电压波动率是影响串、并联侧容量的关键参数,并给出了串、并联侧的容量最小条件.这为实际装置的设计和相关参数选择提供了指导,对进一步深入系统的研究具有一定的理论意义与实用价值.     

流固耦合式管道检测机器人自主发电系统

为了给管道检测机器人的电气工作装置提供充足的电能,该文提出一种利用管道内天然气流体动能的管道检测机器人自主发电系统,推导出了各个环节的工作原理方程。利用管道内天然气的流体速度动力冲击机器人尾部叶轮,以及泄流前后的流体速度差,将流体动能转换为发电机的电能。通过对管道检测机器人速度控制装置的泄流状态的分析,建立了受控速度方程;在控制速度条件下,得出了叶轮机叶片的受力方程,并给出了单位时间内管道内流体扫过叶轮机的动能与泄流前后流体速度差的关系方程,并进一步导出了流体动能转化为电能的方程。针对管道内天然气流体速度随时间不规则变化的影响因素,采用了叶轮机最大功率捕获控制策略使自主发电系统的能量转换效率达到最大。对提出的管道检测机器人自主发电系统进行了流体的流固耦合仿真和电气的Matlab仿真。仿真结果表明:该流固耦合式管道检测机器人自主发电系统的工作原理可行,叶轮机额定输出功率在80W左右,而管道检测机器人的用电功率在30W左右,该自主发电系统可满足管道检测机器人系统的供电要求。     

植入式人体通信技术发展与未来刘益和,张简

人体通信技术是一项新兴的无线通信技术,因创伤小、不会感染和设备定位方便,在人体实时医疗监测领域发挥着非常重要的作用。按照电极的耦合方式分类,人体通信可分为电容耦合型人体通信和电流耦合型人体通信。通过分析整理现有成果可知,电容耦合型人体通信需要共地耦合而不适合于植入式人体通信;电流耦合型人体通信可弥补电容耦合型人体通信的缺点。已有的研究分别对两种耦合方式的样机、实验作了详细的讨论;按照电极的放置位置分别重点分析了“表面-表面”、“表面-植入”、“植入-表面”以及“植入-植入”人体通信的研究现状;指出了该技术的机遇和挑战,展望了该技术的未来。虽然电流耦合型人体通信还面临诸多难题,但是伴随着多种技术的发展,智能化医疗设备的需求,其将成为未来植入式医疗通信技术的必然选择。     

植入式人体通信技术发展与未来

人体通信技术是一项新兴的无线通信技术,因创伤小、不会感染和设备定位方便,在人体实时医疗监测领域发挥着非常重要的作用。按照电极的耦合方式分类,人体通信可分为电容耦合型人体通信和电流耦合型人体通信。通过分析整理现有成果可知,电容耦合型人体通信需要共地耦合而不适合于植入式人体通信;电流耦合型人体通信可弥补电容耦合型人体通信的缺点。已有的研究分别对两种耦合方式的样机、实验作了详细的讨论;按照电极的放置位置分别重点分析了"表面—表面"、"表面—植入"、"植入—表面"以及"植入—植入"人体通信的研究现状;指出了该技术的机遇和挑战,展望了该技术的未来。虽然电流耦合型人体通信还面临诸多难题,但是伴随着多种技术的发展,智能化医疗设备的需求,其将成为未来植入式医疗通信技术的必然选择。     

植入式广告特征及其实现方式

概述了植入式广告的定义及其特征,就具体案例对植入式广告的实现方式和存在问题进行了研究分析,认为植入式广告的实现方式主要包括点状植入、现状植入、面状植入,讨论了选择和应用植入式广告的方法。希望这些方法在未来的植入广告应用上可以起到借鉴作用。     

人体热能发电研究

温差发电技术能将热能直接转化为电能,具有清洁、安全、无运动部件的优点,人体体表热量收集的刚性温差发电器,存在着器件可靠性差、制造成本高、柔性穿戴式湿差发电器的输出功率较低,无法满足穿戴式电子设备供电需求,严重制约了穿戴式温差发电器的应用。基于人体热能发电的优缺点世界各国科研人员从不同角度展开了深入研究。     

可穿戴传感器进展、挑战和发展趋势

 可穿戴传感器是近年来高速发展的传感器技术。其功能、原理和形态各异,并已经广泛应用于国民生活和生产的多个方面。本文结合大量商业化和处于研究阶段的可穿戴产品和器件,简述了可穿戴传感器的主要形式,列举了可穿戴设备的常用测量方法。根据可穿戴传感器及人体的接触方式,将其划分为皮肤接触式传感器、非直接接触式传感器和植入式传感器,结合现有商业化产品及实验室中研究成果,展示了现今可穿戴设备在日常健康、医疗、运动科学、工业和军事等方面的广泛应用。认为可穿戴传感器技术将会在未来同大数据与精准医疗实现更高程度的结合,更好地服务于长期动态的人体信息和环境信息的采集。     

基于可再生能源的分布式多目标供能系统(一)

通过对基于化石能源和基于可再生能源的几种主要分布式发电技术及系统，包括往复式发动机，微型燃气轮机，燃料电池，太阳能光伏发电，太阳能高温集热发电，风力发电，多联产及蓄能等相关技术的现状分析，指出了建立和发展基于可再生能源的分布式多目标供能系统所面临的主要问题与挑战。     

压电微悬臂梁振动能量采集器谐振频率和功率的研究

压电振动能量采集器可将自然界中广泛存在的机械振动能转换为电能,并且一直向微型化电源的目标迈进．为此,以矩形压电微悬臂梁结构作为换能单元,通过时压电层等效电流源和单相桥式整流电路的理论及相关公式的推导,得出微能量功率的计算公式．通过分析看出,在实际设计压电振动能量采集装置时,可采用适当增加质量块质量和减小梁长度的方式来满足整体结构在自然环境中实现低频谐振、获得较大的功率输出的设计要求．     

分布式能源系统集成方案研究

分布式能源系统是一种分布于用户端的能源综合利用系统.其系统集成方案必须遵循温度对口、梯级利用的原则,使用户需求与科学用能达到完美结合.以燃气轮机或内燃机为核心的冷热电联产分布式能源系统有五种基本方案,相关方案相互结合可使系统效率明显提高.     

电动多旋翼无人机转向能耗测试系统设计与试验

本文针对电动多旋翼无人机的能耗测试,设计了一种基于单片机的无人机转向能耗测试系统。该测试系统主要由角速度传感器,功率测量模块,无线通讯模块以及单片机等部分组成,并基于LabVIEW软件设计了上位机程序,以实现对测试过程数据的实时显示和保存。对系统进行试验表明：系统数据采集频率为100 Hz,电压测量精度为99.93 %,电流测量精度为99.87 %,转向角度测量精度为98.10 %,可见该系统测量精度较高,能满足电动多旋翼无人机转向能耗的测试及相关数据的获取。     

基于虚拟磁链的微电网分布式逆变电源的功率平衡控制

对分布式逆变电源组成的微电网在独立运行模式下的功率平衡控制进行了研究。在分析功率下垂特性的基础上,通过引入虚拟阻抗,将传统高压电力系统中的功率下垂特性曲线应用到中低压的微电网,实现微网功率平衡控制,并给出了电压源逆变器的参考控制电压。引入虚拟磁链,将电压的控制转化为空间磁链的控制,通过滞环控制器实现空间磁链的快速跟踪。系统的仿真结果表明系统负载变动时,微电网各逆变电源能合理分配负荷,所述的控制策略有效。     

微动力机电系统的发展动态与展望

在阐述微动力机电系统研究意义的基础上,对其在国内外的发展动态及趋势进行了回顾,重点介绍了双区燃烧微涡轮机、微型往复式电力发生器、微转子发动机以及作者研究的微热光电动力系统．这种新型的微热光电系统具有无运动部件、热量利用效率高、制造成本低等优点．最后论述了微机电动力系统研究中面临的主要挑战,并重点总结了需要解决的一些基础问题．     

硬核点过程随机蜂窝网络能量效率优化研究

基于控制/用户平面分离的异构网络架构是5G中的一种重要组网方式.微基站的密集部署引发了巨大的能量消耗问题从而无法保障用户的高质量服务(quality of service,QoS).针对此问题,基于具有最小距离约束特性的硬核点过程(hard-core point process,HCPP),研究了控制/用户平面分离网络架构中能量效率的优化方法.通过联合优化网络频谱分配比、基站的密度和基站配备的天线数量,设计了最小化基站平均能耗的优化问题.由于问题是非凸的,进一步为能量效率优化问题提出了低复杂度的迭代算法,当算法迭代直至收敛可得到天线数和网络频谱分配比的最优解,最终实现基站能耗的最小化.仿真结果表明,该算法在控制/用户平面分离网络架构下有效地降低了基站的平均功耗并提升了系统能效.     

人力智能电网——一种新型电网的构建及其可行性分析

 在能源供需矛盾日益尖锐的今天,被忽视已久的人体能量作为一种可再生的、清洁的能源被提到了议事日程。为更高效地管理和利用由人体产生的、分散的、小功率的电能,本文提出一种新概念型人力智能电网系统,旨在将不同地区、不同个体运动产生的电能聚集起来,以期为此网络区域内的用户提供不依赖于现有能源体系的、独特的、灵活的电力供应。文中构建了借助计算机和信息网络的控制,将虽然分散但总量巨大的人力电力资源以最优方式加以配置和利用的基本途径,评估了其可行性,阐述了新型电网的应用特点,总结出其中的关键科学与技术问题,并指出了进一步发展的方向。通过这种智能电网的建立,可望促成一系列新的能源利用技术基础与应用研究的突破。     

基于可再生能源不确定性的多能源微网调度优化模型

多能源微网可以使综合能源系统在配网/用户端得到实现,但电力系统和天然气系统联合后会使得系统调度中的不确定性问题变得突出。为此,本文通过对电力/天然气系统的物理特性进行分析,基于用户需求响应资源、可再生能源机组出力和负荷不确定性的关键要素分析,建立了多能源微网日前调度优化模型。基于Matlab环境对所建模型进行了相关的计算仿真,验证了两阶段随机优化模型的有效性。仿真结果表明,所建优化模型可以提高多能源微网系统运行的可靠性和经济性,具有较好的实际应用价值。     

基于绿色网络理念的LTE网络架构规划

随着移动通信从3G向LTE的演进,在一定时期内2G/3G网络和LTE将长期并存,数量庞大的基站使移动通信成为信息与通信行业能耗的重点。建设低功耗的绿色LTE网络,是全社会对移动通信的期望和要求。本文从网络架构规划的角度论述了LTE绿色网络规划方法。在网络规划中采用中继技术、分布式基站、微小区基站,全IP扁平化网络架构等方法和技术,能够增强网络覆盖和容量,降低移动网络对机房、空调和电源设备等配套设施的要求,从而能够有效地降低工程建设成本,减少网络能耗。