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摩擦發電機引發能源革命?

2018/3/21 11:18:15??????點擊:

摩擦發電機引發能源革命?
藍色能源夢想的藝術概念圖:網狀聯結數以百萬計的可捕獲低頻海波能量的摩擦納米發電機。小圖是設計的球形納米發電機。


想象一下,公文包會提醒主人忘帶了什么東西;衣服會“告訴”洗衣機對洗滌劑和水溫的要求;搬運人員卸貨時,一只包裝貨物可能會大叫“請你對我溫柔一點”……想著這些充滿科幻感的物聯網場景,你是否也期待著物聯網時代的到來?


不過,實現物聯網的前提是,我們得先擁有傳感網。傳感器就像物聯網的神經末梢,安裝在物品和機器上,能實時采集物體的信息。要實現物與物、物與人、人與人的智能連接,需要數以億計的傳感器。如何給這些數量巨大的傳感設備供能,是人類步入物聯網時代需要克服的挑戰。網絡解決方案供應商思科公司(Cisco)就曾說過,“沒有自驅動(也就是自我供能),90%的物聯網都實現不了”。


但另一方面,在我們身邊,其實有著無處不在的摩擦能源。在自然界,風摩挲樹葉,雨拍打屋頂時,存在摩擦;人走路,腳與地面、肢體與衣服接觸,也存在摩擦;此外環境中的機械振動、嗓音等,也都能產生摩擦。能否將這些不起眼的摩擦能源收集起來,為傳感器供能呢?中國科學院納米能源與系統研究所首席科學家、美國佐治亞理工學院講席教授王中林的團隊研發的摩擦發電機,為實現自驅動傳感器提供了一種有潛力的解決方案。


2011年,一次實驗中偶然出現的多余電能,引起了王中林的注意,經過幾個月的分析,他和團隊發現,這些電能居然是由摩擦效應產生的。隨后,研究團隊通過設計的合理器件結構,成功研發出了具有實際應用價值的摩擦發電機,并利用原子力顯微鏡,初步分析了摩擦起電的原理。與傳統的電磁感應發電機不同,摩擦發電機是利用摩擦起電和靜電感應的耦合,配合薄層式電極的設計,實現電流和有效輸出的。


“科學地講,摩擦起電應該叫‘接觸起電’(contract electrification),只要接觸就能起電,并不一定要摩擦,只是摩擦的時候會增加接觸的面積和頻率,電荷增加得更明顯,”王中林介紹說。為了適用于生活中的多種場景,充分收集身邊的聲音、行走、水流、微風等各種機械能,研究團隊給發電機設計了四種模式(接觸-分離式、滑動式、單電極式、帶電體感應式)。


摩擦發電機是如何產生電流的?以接觸-分離式為例,給兩種材料接上金屬電極,通過外電路連接起來,材料接觸之后,內表面會摩擦起電;分開后,隨著兩個物體的間距慢慢增加,電極上會感應出異性電荷,產生電勢差,從而驅動電子在外電路流動;而當兩種材料再次接觸時,由于電勢差消失,電子又會流回來。重復這個過程,就可以得到連續的交流電。目前,這種摩擦納米發電機的機械能轉化效率達50%~80%,輸出功率最高可達500W/m2, 輸出電流達3mA,最高平均穩定輸出功率達1.5W,方法看似簡單,效率卻非常高。


由于體積小、重量輕、能量密量高、成本低廉,摩擦發電機除了應用在自驅動傳感器中,還能為移動設備、可穿戴設備和柔性設備供能。從2012年的柔性摩擦發電機,到2014年的旋轉式直流摩擦發電機(可實現恒定電流輸出),2015年的自充電能源包,再到最近發明的透明、可拉伸仿皮膚式摩擦發電機、可高效收集水下超聲波的水能摩擦發電機,王中林團隊的摩擦發電機家族正在不斷擴大,并向大規模應用迅速邁進。


在納米能源與系統研究所的iScience創新科普實驗園中,你可以看到用摩擦發電機制作的各種傳感器和能量收集裝置的原型:水滴落在模型屋頂,屋里的LED燈會被點亮;對著一排塑料片吹口氣,產生的電流能點亮數十個LED小燈。還有與地面接觸就會發光的智能鞋、利用汽車排氣口動能設計的汽車尾氣處理裝置、無線感應的踩踏式搖控燈,這些貼近生活的應用讓人腦洞大開。


其中最吸引人的,可能是一個網球大小的波浪能摩擦發電機,只要隨著波浪輕輕擺動,就能將自己點亮。這也是研究團隊希望摩擦發電機可以涉足的另一個應用方向——大規模收集“藍色能源”。與傳統的電磁感應發電機相比,摩擦發電機在收集海洋中水能方面更具優勢,因為海洋中的波浪、潮汐和洋流等,運動頻率均較低(0.1~2Hz),而在收集低頻能量時,摩擦納米發電機的輸出效率遠高于電磁發電機。未來,科學家如果能把多個摩擦發電機單元,集成到網絡結構中,收集海洋蘊含的巨大水能,必將引發一場能源的革命。


“摩擦發電機從發明到現在,短短四五年的時間,在穩定性方面已經達到了70分(總分100),未來,我們希望繼續提高它的可靠性和效率,同時找到一些只有這個技術可以解決的特殊的應用,”談到摩擦發電機的未來,王中林充滿信心,“接下來,我們將大力推進摩擦發電機的產業化。今年下半年,一款結合了摩擦發電原理的空氣凈化器就會上市,同時,利用摩擦發電的智能鞋和智能衣服也正在商業化設計中?!?/span>


 

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