面向电力装备自供电传感的微纳能源收集技术

数智化电网的建设依赖于海量分布式电力装备状态监测传感器,提升传感器的供电可靠性进而实现自供电感知,对拓展设备状态感知系统的深度和广度具有重要意义。近年来,以纳米发电机为代表的微纳能源收集方法与器件被广泛关注,其能够将多元、分散的机械能、热能、电磁能等转化为电能,搭配微能量存储元件与低功耗微纳传感器实现自供电传感。该文围绕面向电力装备自供电传感的微纳能源收集方法这一主题,首先介绍了电力装备及其运行环境微能量的分布特性;其次,总结了以热电纳米发电机、摩擦纳米发电机、压电纳米发电机、磁场能收集发电机、水伏发电机为代表的微纳能源收集方法原理及特点,分析了其在电力装备场景下的适用性,同时综述了基于微纳能源器件的电力装备微能量收集与自供电传感最新研究进展,并提出了本领域目前发展面临的主要技术难点和潜在解决方案。最后,展望了微纳能源收集方法及器件的发展趋势,有望为电力装备自供电状态监测和数智化发展提供参考与指导。

基于边缘优化设计的低损耗Si3N4光功率分束器

随着信息技术的发展,市场对于更小型化、更高效光器件的需求不断增加.采用互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)工艺,成功制备了Si_(3)N_(4)光功率分束器并对其进行测试.结果表明,在1550 nm波长下,边缘优化的1×8功率分束器的总损耗仅为1.30 dB,且其体积相较于传统设计可减小30%.本研究应用逆向优化算法,突破了传统设计仅能针对规则图形设计的限制,为实现小尺寸、低损耗的光功率分束器提供了一种可行途径.

基于固-液摩擦纳米发电机的海洋红外对射自供能发电胶囊

为了实现海上电子围栏中红外对射装置的自供能,同时降低供电成本和简化安装,设计了一种基于固-液摩擦纳米发电机的海洋红外对射自供能发电胶囊。对摩擦纳米发电机发电胶囊(PC-TENG)进行仿真电学分析与0.02~2.00 Hz工况下的实验,验证了PC-TENG可以将波浪能转换为电能。仿真模拟的最大电势为3.2 V,基于去离子水的PC-TENG最大短路电流和开路电压分别为27.38μA和2.84 V。为了提高装置的实用性和输出性能,采用更接近海水的摩尔分数4%的氯化钠溶液作为液体摩擦材料进行对比实验,最大短路电流和开路电压分别为21.62μA和2.08 V,验证了使用海水作为液体摩擦材料的可行性。最后,进行了耐久性测试,基于去离子水的PC-TENG短路电流和开路电压分别衰减了5.5%~6%和3%~4%,基于摩尔分数4%的氯化钠溶液的PC-TENG短路电流和开路电压均衰减了6%~7%,验证了发电的耐久性,为海上电子围栏供能提供了新的参考和思路。

纳米银浆低温烧结工艺及可靠性分析

对纳米银浆烧结前后的微观组织形貌进行分析,研究了不同烧结温度、烧结时间和升温速率对纳米银浆烧结样件剪切强度的影响,并对比分析了Au80Sn20和纳米银浆两种不同连接材料对GaN芯片散热性能的影响。结果表明:GaN芯片通过纳米银浆烧结到管壳后,银层与金层之间存在一个明显的互扩散层,实现了芯片和壳体之间优异互连。在烧结温度200℃、时间90 min、升温速率5℃/min的烧结条件下,样件剪切强度可达47.2 MPa。纳米银浆与Au80Sn20装配的芯片温度分布基本一致,但纳米银浆散热性能优于Au80Sn20。在经历温度冲击、扫频振动、温度循环及射频老炼试验后,纳米银浆烧结的芯片热阻波动不明显,剪切力性能略微提升。

基于感应耦合式无线能量传输的微纳聚合体航天器电源系统设计与验证

微纳聚合体航天器是一种以机械或电磁锁紧机构实现各模块化基本单元航天器连接的新型航天器架构,可以灵活实现在轨组装与自重构以满足不同任务需求。但是,基于传统电连接器的电气互联方式无法适应模块化航天器间灵活交汇对接与快速分离需求。针对上述问题,文章建立了基于感应耦合式双向无线能量传输的微纳聚合体航天器电源系统架构,根据地面演示验证需求分别设计了能源核航天器和载荷任务航天器电源系统参数,然后根据各模块化航天器间非接触供电需求,设计了双向无线能量传输单元参数,最后通过地面演示试验验证了基于双向无线能量传输的微纳聚合体航天器电源系统架构可行性,单级无线能量传输功率在20W~30W时传输效率稳定在75.8%以上,通过效率优化提升至95%以上,将可实现四个基本单元航天器的多级功率传输。

基于金刚石/钼铜载体的高功率密度芯片散热方案

为满足高功率射频微系统的散热需求,提出了一种纳米银胶粘结高导热金刚石载体的高功率密度芯片的散热方案。通过实验对比研究了4种方案(纳米银胶粘结芯片和金刚石载体、金锡焊料烧结芯片和金刚石载体、纳米银胶粘结芯片和钼铜载体及金锡焊料烧结芯片和钼铜载体)芯片的结温和热阻。依据实验方案建立高精度温度场散热仿真模型,探究了载体厚度及载体面积对芯片结温的影响。结果表明,采用纳米银胶粘结芯片和金刚石载体的方案时,热阻明显小于其他封装形式,散热效果最好。增大金刚石载体面积和厚度可以增强散热效果,金刚石载体厚度为0.3~0.4 mm、载体面积为芯片面积的3倍时,实用性和散热效果最佳。减薄钼铜载体对散热有利,钼铜载体面积对散热影响不大。

纳米涂层光伏组件的清洗效果及清洗周期研究

以光伏组件表面污垢为研究对象,利用纳米清洗剂对光伏组件表面污垢进行清洗后,在光伏组件表面涂覆纳米涂层,研究灰尘等污垢对纳米涂层光伏组件发电效率的影响。以某实际光伏电站为例,进行了清洗加涂层处理、只做清洗处理、不做任何处理的3组光伏组串对比实验,并收集了以年为测试时间段的光伏组串单瓦发电量为基础数据,计算得到了光伏组串的发电效率差值和能效提升率。实验结果显示:测试时间内,相较于只做清洗处理的光伏组串,清洗加涂层处理的光伏组串的发电效率差值均值高7.6%;且纳米涂层光伏组件适用于多雨潮湿地区的光伏电站,光伏组件表面积灰越快清洗成本回收越快。

基于Jetson Nano的饮料瓶盖分类检测设计

文章采用YOLOv5目标检测模型实现了一种基于Jetson Nano的饮料瓶盖分类检测系统。传统瓶盖分类方法通常需要耗费大量的人力和时间资源,存在准确性和效率低的问题。为提高瓶盖分类的准确性和效率,文章利用计算能力强和功耗低的Jetson Nano搭建了YOLOv5模型,并对饮料瓶进行了精确的分类检测。其中,首先介绍了YOLOv5模型的原理和特点,其次详细描述了基于Jetson Nano的饮料瓶盖分类检测系统的设计和实现过程。该系统在饮料瓶盖分类检测方面的准确性和效率较高,具有很高的应用价值。

木材发电机理及应用研究进展

化石燃料过度开发导致能源危机和环境生态问题,研发绿色发电材料越发重要。木材作为一种广泛存在且可再生的资源,在全球范围内储量丰富。近年来,利用木材进行发电成为一种应对能源危机的新方式。主要介绍压电、摩擦纳米发电和水伏发电三种发电技术及发电机理,分析改性技术对木材发电性能的影响,总结当前木材作为绿色发电材料器件的优势及应用场景,并对木材发电技术的前景和面临的挑战进行展望。

基于逆变器直流电压模式波能装置并网接入方法

针对采用蓄电池提供直流母线电压难于满足波能装置装机容量不断增长需求的问题,提出基于逆变器直流电压模式的多液压发电机组并网接入方法。逆变器为液压发电机组直接提供直流母线电压,组建成波能装置无蓄电池组支撑的直流纳电网。建立了逆变器直流电压模式电路拓扑和直流电压外环控制回路。通过多液压发电机组波能装置基于逆变器直流电压模式仿真试验,验证了无蓄电池组波能装置并网接入方法的可行性。该研究成果已应用到500 kW“长山号”波能装置中,为大功率波能装置并网系统研究奠定了基础。

新型低碳排放脱硫剂纳米氢氧化钙的制备、评价及应用研究

传统石灰石-石膏湿法烟气脱硫(FGD)过程中,石灰石和二氧化硫反应会生成大量的二氧化碳,不利于中国“碳达峰”与“碳中和”目标的实现。通过利用廉价的起始原料,在聚乙烯亚胺(PEI)存在的情况下,制备了一系列具有纳米尺度的氢氧化钙,并采用SEM、XRD、BET、FT-IR等方法对样品进行了表征,用以替代传统石灰石。在模拟FGD实验装置下,研究了不同比表面积氢氧化钙和电厂用石灰石对二氧化硫吸收速率以及脱硫效率的影响,结果显示:在入口二氧化硫质量浓度为3 500 mg/Nm^(3)时,脱硫效率由石灰石的93.05%提升到了氢氧化钙的99.31%。利用韶关电厂1号机组(600 MW)湿法脱硫装置,研究了制备的新型纳米氢氧化钙脱硫剂的实际脱硫效果。结果发现,传统石灰石在使用高硫煤时,无法达到超低排放的要求,而加入部分氢氧化钙(质量分数为18.0%~22.5%)后,均可实现超低排放(出口二氧化硫质量浓度<35 mg/Nm^(3)),脱硫效率均高于99%,从而提高了FGD系统的高硫煤适应性。

变压器纳米改性油纸复合绝缘研究综述

油纸复合绝缘作为电力变压器内部的主要绝缘,其电气性能备受电力设备制造与运行人员的关注。纳米颗粒结构因具有大比表面积、量子尺寸及宏观量子隧道效应等优异性能,常作为提高绝缘材料电气性能的添加物质。该文总结了近年来变压器油纸复合绝缘纳米改性的研究成果,首先概述变压器油纸复合绝缘纳米改性的方法;其次详细介绍三种纳米颗粒改性机理的理论模型,并分析改性前后绝缘油纸内部与表面的电荷行为、局部放电特性和交直流复合及雷电冲击电压下的击穿特性;最后对目前研究成果进行总结,并展望未来变压器油纸绝缘纳米改性的研究和发展方向。这些研究成果的总结将为改性油纸绝缘的发展与电气性能改善提供参考和借鉴。

PVA/明胶双网络热电水凝胶制备及自驱动呼吸监测应用

呼吸监测对于人体健康监测具有重要意义。人在呼吸过程中鼻腔呼出的气体温度明显高于环境温度,因此利用热电水凝胶的温度敏感特性研究了一种基于热电水凝胶的自驱动人体呼吸监测装置。通过在聚乙烯醇(PVA)/明胶双网络水凝胶中引入I-和I-3氧化还原电对,将人体呼吸过程产生的温差信号转化成电信号,且塞贝克系数可以达到0.71 mV/K。通过对该热电水凝胶力学性能和电学性能的测试和分析,证明了其不仅具有良好的柔性、可拉伸性,而且能够用于人体呼吸状态监测,及时发现人体呼吸异常情况。该研究可为基于水凝胶的可穿戴电子设备的应用研究提供理论参考和技术支持。

基于兔毛的软接触摩擦纳米发电机

摩擦纳米发电机(TENG)作为一种可以从环境中捕捉细微的能量并转换成电信号输出的新型能源收集研究热点,由于受结构和材料限制,导致其易受机械磨损而输出性能稳定性下降。研制了一种基于兔毛作为软接触材料的摩擦纳米发电机(TENG),并探究了聚四氟乙烯(PTFE)和聚偏二氟乙烯(PVDF)分别作为兔毛摩擦纳米发电(R-TENG)的介电材料时,R-TENG在不同转速(30、60、90和120 r/min)下具有的输出性能。结果表明,PVDF作为介电材料在基于兔毛的软接触配合中,其效果明显优于PTFE。在转速为120 r/min时,基于PVDF的R-TENG输出短路电流与开路电压分别可达3.3μA和873.27 V。将R-TENG在120 r/min转速下连续工作24 h后,得到测试前后短路电流和开路电压的衰减率分别为6%~7%和4.5%~6.5%,验证了基于兔毛软接触的R-TENG具有良好的耐久性,能够在实际应用中大大降低人工维修成本。对R-TENG进行功率匹配,在外部电阻为50 MΩ时,其输出功率可高达0.96 mW。利用R-TENG为电容进行供电实验,0.1μF的电容能够在短时间内充电到2.384 V,验证了以兔毛作为软接触材料时R-TENG的高性能特点,为传感器供电提供策略。

纳米铜焊膏烧结互连技术研究现状与展望

纳米铜焊膏在低温烧结后可形成耐高温、高导电导热同质互连结构,该互连结构不仅可避免锡基焊料层和烧结银层服役过程中出现桥接短路和电迁移的可靠性问题,还可解决异质互连结构热膨胀系数不匹配的问题,在集成电路和功率器件封装领域具有重要应用价值。近年来,在铜纳米颗粒稳定性和低温烧结性能方面,纳米铜焊膏烧结互连技术取得了重大研究进展。但与纳米银焊膏烧结互连技术相比,纳米铜焊膏的稳定性、低温烧结性能和可靠性仍有较大提升空间。该文从烧结互连机理、烧结工艺调控、铜纳米颗粒表面改性、纳米铜基复合焊膏、互连可靠性和封装应用方面,阐述了纳米铜焊膏烧结互连技术的最新研究进展,并对后续的技术发展和研究思路进行了展望。

纤维和纳米材料改性水泥稳定道路固废的直剪力学行为

为了研究纤维-纳米材料对水泥稳定道路固废再生集料抗剪特性的影响,通过直剪试验对水泥稳定再生集料(CA)、聚丙烯纤维水泥稳定再生集料(PCA)、纳米氧化镁水泥稳定再生集料(MCA)、纳米二氧化硅水泥稳定再生集料(SCA)、聚丙烯纤维-纳米氧化镁水泥稳定再生集料(PMCA)和聚丙烯纤维-纳米二氧化硅水泥稳定再生集料(PSCA)的抗剪强度特性进行评价和表征.试验结果表明:各组试样的剪应力-位移曲线随着垂直压力的增加逐渐由软化型向硬化型转变;MCA、SCA、PMCA、PSCA的摩擦角比CA的摩擦角更大,PCA、MCA、SCA、PMCA、PSCA的黏聚力均大于CA.提出复合正弦-幂函数(CSP)模型,该模型可以有效地模拟软化型和硬化型应力-位移曲线,比传统模型更具适用性.建立各组试样的应力-位移关系的通用公式,该公式与实测数据拟合效果良好.

洋葱碳基双极板制备及在PEMFCs中的应用

以甲烷为碳源,采用化学气相沉积(CVD)法制备了尺寸均匀(粒径在50~140 nm)的带有金属核心的纳米洋葱碳(CNOs)。通过微波加热对合成的CNOs进行纯化得到纯度为99%的洋葱碳材料,并作为双极板导电填料应用于质子交换膜燃料电池(PEMFCs)电堆。通过CNOs的表征和分析表明,合成的CNOs中内嵌Fe-Ni纳米金属粒子。由接触角测试可知,注塑工艺制备的洋葱碳基双极板的润湿角低于91°,亲水性较商用石墨双极板有所改善,有利于电子的传输。经自呼吸电堆耐久性和功率测试发现,由洋葱碳基双极板组装的电堆在13.2 V下的输出功率达到58 W,比商业石墨双极板电堆输出功率(48 W)提高21%。研究证实洋葱碳基复合材料可以提高PEMFCs电堆的功率密度、效率及寿命。

熔融太阳盐中金属氧化物纳米颗粒对304不锈钢的防护效果

采用腐蚀增重法和表面分析技术研究了模拟熔融太阳盐中Al2O3,CuO,ZnO,TiO2,SnO2等五种纳米颗粒对太阳盐储罐材料304不锈钢腐蚀的影响。结果表明:304不锈钢浸渍在含与不含纳米颗粒的熔融太阳盐中均出现腐蚀增重现象。Al2O3,CuO,ZnO,TiO2,SnO2等五种纳米颗粒的加入会均对304不锈钢的腐蚀增重产生抑制作用,抑制效果由大到小依次为Al2O3>ZnO>CuO>TiO2>SnO2。在熔融太阳盐中,纳米金属氧化物颗粒可在不锈钢表面形成良好的保护膜,除了与纳米颗粒在不锈钢表面氧化层形成物理掺杂以外,发生化学掺杂是更重要的影响因素。

含纳米级铝粉的复合炸药研究

铝粉的颗粒尺寸对含铝炸药的爆轰性能有显著影响 ,在以 RDX为主体的粘结炸药中 ,加入 2 0 %粒径为 5 0 nm的超细铝粉 ,得到的新型复合炸药 ,其爆轰性能及作功能力明显高于含 2 0 %粒径为 5 μm和 5 0 μm的复合炸药。

纳米TiO_2改性绝缘纸的绝缘性能

为了研究纳米TiO2改性绝缘纸的绝缘性能,试验室制备了含不同质量分数纳米TiO2的绝缘纸手抄片,并对真空浸油后的绝缘纸性能进行了测试。结果表明在一定的纳米TiO2质量百分比内,改性后的绝缘纸的工频击穿场强得到较大的提高,如在质量分数为3%时,工频击穿场强提高了20.83%。在3%的添加量内绝缘纸的介电常数、介电损耗、电导率都随纳米TiO2含量的增加而减小。对纳米TiO2引起的绝缘纸工频击穿特性和介电性能的相关变化进行了讨论和分析,结果表明加入的纳米TiO2能够与纤维素与绝缘油之间形成较强的相互作用,它们的接触界面可能成为了能够捕获电子的陷阱,这些陷阱能有效地减小电子的平均自由程,遏制自由电子的能量积聚、减小了有效电子的产生几率、提高了油浸绝缘纸的工频击穿场强;纳米TiO2对纤维表面极性基团的束缚作用使绝缘纸的介电性能发生改变。