摩擦发电机引发能源革命-应用智能鞋及智能衣服

展会快讯 加入时间:2017-7-26 9:52:33 访问量:1969

 

 

蓝色能源梦想的艺术概念图:网状联结数以百万计的可捕获低频海波能量的摩擦纳米发电机。小图是设计的球形纳米发电机。 

 

想象一下,公文包会提醒主人忘带了什么东西;衣服会“告诉”洗衣机对洗涤剂和水温的要求;搬运人员卸货时,一只包装货物可能会大叫“请你对我温柔一点”……想着这些充满科幻感的物联网场景,你是否也期待着物联网时代的到来?


不过,实现物联网的前提是,我们得先拥有传感网。传感器就像物联网的神经末梢,安装在物品和机器上,能实时采集物体的信息。要实现物与物、物与人、人与人的智能连接,需要数以亿计的传感器。如何给这些数量巨大的传感设备供能,是人类步入物联网时代需要克服的挑战。网络解决方案供应商思科公司(Cisco)就曾说过,“没有自驱动(也就是自我供能),90%的物联网都实现不了”。


但另一方面,在我们身边,其实有着无处不在的摩擦能源。在自然界,风摩挲树叶,雨拍打屋顶时,存在摩擦;人走路,脚与地面、肢体与衣服接触,也存在摩擦;此外环境中的机械振动、嗓音等,也都能产生摩擦。能否将这些不起眼的摩擦能源收集起来,为传感器供能呢?中国科学院纳米能源与系统研究所首席科学家、美国佐治亚理工学院讲席教授王中林的团队研发的摩擦发电机,为实现自驱动传感器提供了一种有潜力的解决方案。


2011年,一次实验中偶然出现的多余电能,引起了王中林的注意,经过几个月的分析,他和团队发现,这些电能居然是由摩擦效应产生的。随后,研究团队通过设计的合理器件结构,成功研发出了具有实际应用价值的摩擦发电机,并利用原子力显微镜,初步分析了摩擦起电的原理。与传统的电磁感应发电机不同,摩擦发电机是利用摩擦起电和静电感应的耦合,配合薄层式电极的设计,实现电流和有效输出的。


“科学地讲,摩擦起电应该叫‘接触起电’(contract electrification),只要接触就能起电,并不一定要摩擦,只是摩擦的时候会增加接触的面积和频率,电荷增加得更明显,”王中林介绍说。为了适用于生活中的多种场景,充分收集身边的声音、行走、水流、微风等各种机械能,研究团队给发电机设计了四种模式(接触-分离式、滑动式、单电极式、带电体感应式)。


摩擦发电机是如何产生电流的?以接触-分离式为例,给两种材料接上金属电极,通过外电路连接起来,材料接触之后,内表面会摩擦起电;分开后,随着两个物体的间距慢慢增加,电极上会感应出异性电荷,产生电势差,从而驱动电子在外电路流动;而当两种材料再次接触时,由于电势差消失,电子又会流回来。重复这个过程,就可以得到连续的交流电。目前,这种摩擦纳米发电机的机械能转化效率达50%~80%,输出功率最高可达500W/m2, 输出电流达3mA,最高平均稳定输出功率达1.5W,方法看似简单,效率却非常高。


由于体积小、重量轻、能量密量高、成本低廉,摩擦发电机除了应用在自驱动传感器中,还能为移动设备、可穿戴设备和柔性设备供能。从2012年的柔性摩擦发电机,到2014年的旋转式直流摩擦发电机(可实现恒定电流输出),2015年的自充电能源包,再到最近发明的透明、可拉伸仿皮肤式摩擦发电机、可高效收集水下超声波的水能摩擦发电机,王中林团队的摩擦发电机家族正在不断扩大,并向大规模应用迅速迈进。


在纳米能源与系统研究所的iScience创新科普实验园中,你可以看到用摩擦发电机制作的各种传感器和能量收集装置的原型:水滴落在模型屋顶,屋里的LED灯会被点亮;对着一排塑料片吹口气,产生的电流能点亮数十个LED小灯。还有与地面接触就会发光的智能鞋、利用汽车排气口动能设计的汽车尾气处理装置、无线感应的踩踏式摇控灯,这些贴近生活的应用让人脑洞大开。


其中最吸引人的,可能是一个网球大小的波浪能摩擦发电机,只要随着波浪轻轻摆动,就能将自己点亮。这也是研究团队希望摩擦发电机可以涉足的另一个应用方向——大规模收集“蓝色能源”。与传统的电磁感应发电机相比,摩擦发电机在收集海洋中水能方面更具优势,因为海洋中的波浪、潮汐和洋流等,运动频率均较低(0.1~2Hz),而在收集低频能量时,摩擦纳米发电机的输出效率远高于电磁发电机。未来,科学家如果能把多个摩擦发电机单元,集成到网络结构中,收集海洋蕴含的巨大水能,必将引发一场能源的革命。


“摩擦发电机从发明到现在,短短四五年的时间,在稳定性方面已经达到了70分(总分100),未来,我们希望继续提高它的可靠性和效率,同时找到一些只有这个技术可以解决的特殊的应用,”谈到摩擦发电机的未来,王中林充满信心,“接下来,我们将大力推进摩擦发电机的产业化。今年下半年,一款结合了摩擦发电原理的空气净化器就会上市,同时,利用摩擦发电的智能鞋和智能衣服也正在商业化设计中。”

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