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行業(yè)視點(diǎn)
摩擦發(fā)電機: 收集自然界中的機械能
內容簡(jiǎn)介:雖然最初摩擦發(fā)電機的輸出電流和功率并不理想,但是在王中林團隊的努力下,經(jīng)過(guò)兩年時(shí)間,該問(wèn)題已經(jīng)被成功克服。研究人員發(fā)現,摩擦發(fā)電機的兩個(gè)工作部件在相互滑動(dòng)的過(guò)程中,電極之間的電荷轉移量可以通過(guò)材料表面有序圖案化得到極大提高,并和圖案密度呈準線(xiàn)性關(guān)系。
  摩擦起電效應,是自然界中最常見(jiàn)的現象之一,它是由兩種不同材料經(jīng)過(guò)相互摩擦而使其接觸表面帶電的現象。相互接觸的兩塊薄片,本來(lái)二者表面都不帶電,但是在接觸之后,由于材料不同,其性能也不同,一個(gè)容易失電子,一個(gè)容易得電子,由此就導致兩種材料經(jīng)過(guò)接觸后一方帶正電,一方帶負電。這就是我們一般所認識的摩擦起電現象。這種現象雖然普遍,但是除了在電學(xué)實(shí)驗中被用于形成高壓電場(chǎng)之外,一直無(wú)法被有效利用來(lái)作為功率源。
  3月下旬,關(guān)于“摩擦發(fā)電機”的報道引發(fā)廣泛關(guān)注。消息選自2012年1月以來(lái),中科院北京納米能源與系統研究所首席科學(xué)家王中林科研團隊設計出一系列摩擦發(fā)電機。
  在兩個(gè)薄片通過(guò)接觸摩擦表面帶電之后,再將這兩個(gè)薄片表面分離,由于物體有保持電中性的傾向,因此通過(guò)電極層將這兩個(gè)薄片與外電路連接,電子就會(huì )通過(guò)外電路在兩個(gè)電極層之間流動(dòng),從而形成電流——依據這一原理,發(fā)電機可以將自然界中的微風(fēng)、水流,甚至人體運動(dòng)的機械能轉化為電能。這種新型的摩擦發(fā)電機在保證發(fā)電效率的同時(shí)還成本低廉。
  摩擦發(fā)電機可與傳統發(fā)電機進(jìn)行互補發(fā)電
  摩擦發(fā)電機和傳統的“電磁感應式發(fā)電機”、“摩擦起電機”不同,摩擦發(fā)電機的核心在于兩個(gè)重要的思路創(chuàng )新,一是摩擦起電和靜電感應效應的耦合,二是薄層式電極的設計。記者了解到,因為采用了僅有微米級厚度的薄膜材料,整個(gè)器件可以具有柔軟甚至透明的特性。
  雖然最初摩擦發(fā)電機的輸出電流和功率并不理想,但是在王中林團隊的努力下,經(jīng)過(guò)兩年時(shí)間,該問(wèn)題已經(jīng)被成功克服。研究人員發(fā)現,摩擦發(fā)電機的兩個(gè)工作部件在相互滑動(dòng)的過(guò)程中,電極之間的電荷轉移量可以通過(guò)材料表面有序圖案化得到極大提高,并和圖案密度呈準線(xiàn)性關(guān)系。
  因此,他們設計出一種圖案化陣列結構,使摩擦發(fā)電機的輸出功率產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。最新的摩擦發(fā)電裝置由平面化的圓形定子和轉子兩部分組成,采用表面圖案化的摩擦層和電極層,通過(guò)旋轉式接觸的驅動(dòng)設計實(shí)現了1.5W的平均輸出功率,獲得了高達24%—50%的能量轉化率。
  與傳統發(fā)電機相比較,摩擦發(fā)電機的輸出具有高電壓低電流的特性,正好可以與傳統發(fā)電機的低電壓高電流形成互補的發(fā)電方式。
  同時(shí),由于摩擦發(fā)電機采用的是質(zhì)輕、價(jià)廉的有機薄膜,使其單位體積發(fā)電量是傳統發(fā)電機的30至50倍,其單位質(zhì)量的發(fā)電量則是傳統發(fā)電機30至40倍,在輸出功率密度上具有非常大的優(yōu)勢。目前,王中林團隊正在耐用性上對摩擦發(fā)電機進(jìn)行研發(fā)改善,現有的摩擦發(fā)電機在連續100萬(wàn)次轉動(dòng)的情況下使用效率依然沒(méi)有衰減。
  摩擦發(fā)電機和手動(dòng)式發(fā)電裝置有何不同
  在中國科學(xué)院北京納米能源與系統研究所,王中林向記者展示了摩擦發(fā)電機的發(fā)電效果:連在一起的兩塊薄片,輕輕一捏使其表面發(fā)生接觸,松手后,終端相連的燈光便相繼亮起。這種將機械能轉化為電能的方式并不是第一次出現。
  類(lèi)似的按壓式手電筒也是將機械能轉化電能,它與摩擦發(fā)電機又有何不同?
  從原理上說(shuō),按壓式手電筒的發(fā)電過(guò)程依據的是傳統的電磁感應式發(fā)電原理,通過(guò)手的按動(dòng)提供機械能,驅動(dòng)手電筒內部的齒輪發(fā)生旋轉,從而帶動(dòng)線(xiàn)圈做切割磁力線(xiàn)的運動(dòng)從而產(chǎn)生電流。這樣的發(fā)電裝置都必須內置磁鐵以形成磁場(chǎng),導致其體積和重量都相對較大,內部結構也比較復雜,而且其輸出功率不高,屬于功率較小的“微小電器”。而摩擦發(fā)電機采用的是又輕又薄的塑料薄膜,結構小巧、簡(jiǎn)單,并且通過(guò)摩擦表面的圖案化設計,將輸出電流提高到3毫安,這樣不僅能夠實(shí)現對手機等“小型電器”的實(shí)時(shí)供電,而且很容易通過(guò)多組摩擦發(fā)電機形成陣列的形式,實(shí)現大規模的能源供給。
  通過(guò)將發(fā)電機和電力管理電路結合,研究人員還進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出了一套完整的小型供電系統。該系統具有降阻抗、整流、儲能和穩壓等功能,能夠提供恒壓穩定的直流輸出,從而為包括手機在內的多種常用電子產(chǎn)品提供實(shí)時(shí)電力或直接充電。目前的輸出功率密度最高可達500瓦/平方米。
  摩擦發(fā)電機發(fā)電可以抵大壩
  和傳統的電磁發(fā)電機相比,摩擦發(fā)電機由于采用了材料表面起電的獨特機理,具有一系列不可比擬的優(yōu)勢。首先,摩擦發(fā)電機由薄膜高分子材料和薄膜電極材料制成,具有極輕的重量和極小的體積,其能量密度和電磁發(fā)電機相比有著(zhù)巨大的優(yōu)勢。因此,它特別適合于為便攜式及穿戴式電子設備或無(wú)線(xiàn)傳感陣列等小型電器提供電能。
  通過(guò)帶動(dòng)微小的傳感裝置,可以實(shí)現自驅動(dòng)的傳感數據傳輸。例如在檢測橋梁震動(dòng)情況時(shí),可將薄膜式摩擦發(fā)電機貼附于檢測儀器上,橋梁振動(dòng)的機械能可以驅動(dòng)摩擦發(fā)電機發(fā)出電信號,該電信號即可被傳輸到檢測儀器上作為監測信號使用,從而實(shí)現儀器的自助檢測。
  其次,摩擦發(fā)電機的制作材料均為大規模工業(yè)化原料,加之其結構簡(jiǎn)單,制作成型簡(jiǎn)便,使其制作成本大大低于其他類(lèi)型的發(fā)電機,為其廣泛應用提供了極為有利的條件。對于普通人,摩擦發(fā)電機帶來(lái)的最大便利有可能是移動(dòng)通信。
  摩擦發(fā)電機可以通過(guò)收集人運動(dòng)時(shí)的機械能將其轉化成電能。例如,人們可以將摩擦發(fā)電機安裝到鞋子上,或者腿上。在人走動(dòng)的時(shí)候,腳部對鞋底的按壓或腿的晃動(dòng)等動(dòng)作就會(huì )通過(guò)摩擦發(fā)電機轉換成電流,將這些電流收集起來(lái)并通過(guò)電池進(jìn)行存儲,就實(shí)現了對電池的充電。走路速度快,充電的速度就快一些,走路速度慢,充電的速度就慢一些,但是這并不影響最終的使用效果。這種充電過(guò)程無(wú)需人們額外做功,只要按照正常的節奏做日常的動(dòng)作即可,使用將會(huì )非常方便。
  最后,摩擦發(fā)電機的獨特結構為收集兩物體間的相互滑動(dòng)提供了可行甚至唯一的方案,這也是傳統發(fā)電機所不能比擬的。不僅如此,摩擦發(fā)電機還具有大規模收集和轉化自然界中機械能的潛力,有望成為綠色能源供給的全新途徑。
  “收集自然界中的機械能是摩擦發(fā)電機最大的設想。”王中林介紹,要收集海水浮動(dòng)的機械能并不十分容易,隨著(zhù)風(fēng)向的變化、潮汐的漲落,海水的流動(dòng)是無(wú)法控制的。因此,雖然人們都知道海水中蘊藏著(zhù)巨大的能量,但是至今仍沒(méi)有一種合適的辦法對其進(jìn)行收集。對此,王中林認為摩擦發(fā)電機或許能夠解決這個(gè)問(wèn)題,在幅面1平方公里、深5米的海水中,每隔10厘米放置一個(gè)球形摩擦發(fā)電機。按照每個(gè)球形摩擦發(fā)電機的輸出功率為1毫瓦計算,海水一天24小時(shí)晝夜不停地流動(dòng),理論上可持續發(fā)出近100萬(wàn)瓦的電,能夠點(diǎn)亮10萬(wàn)盞電燈。以此類(lèi)推,如果大規模的將這種裝置置于海中,其發(fā)電量將十分可觀(guān),當摩擦發(fā)電機的覆蓋面積達到2萬(wàn)平方公里,其發(fā)電量可以與三峽大壩的發(fā)電量相媲美。海水浮動(dòng)的機械能是十分穩定的, 它在晝夜或季節變化時(shí)浮動(dòng)不是太大。
  “對于尋找未來(lái)能源的人類(lèi),這也許是一個(gè)非常好的選擇。”王中林說(shuō)。
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