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新型摩擦纳米发电机问世：“旗形”构造，高效采“风”

作者|韩扬眉
新型摩擦纳米发电机问世：“旗形”构造，高效采“风”
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徐敏义团队供图
摩擦纳米发电机作为高效的能量收集和转换新途径 ， 在风能、水能、波浪能等各种机械能的收集转换中得到了广泛的拓展应用 。 其自供电的特性更为自然环境中设备运行的持续供能提供了一种理想方案 。
近日 ， 大连海事大学轮机工程学院教授徐敏义团队提出并系统性研究了一种新型防潮且自适应风向的旗形摩擦纳米发电机 。
其不仅可在潮湿环境下高效收集不同方向的风能 ， 还能测量风速 ， 实现风速传感 ， 为无线传感网络的供电问题提供了一种新颖的解决方案 。 相关研究成果已发表于《纳米能源》杂志 。
风能收集突破“限制”
近年来 ， 随着物联网技术的快速发展 ， 各种无线传感网络应运而生 。 无线传感网络由区域内数以万计的传感器节点组成 ， 在电气自动化、环境智能监测、车辆定位等方面有着广泛应用 。
然而 ， 难以持续供电 ， 成为暴露在自然环境中的传感器节点的重要问题之一 。
“传感节点的自驱动是传感器发展的重要方向之一 。 ”论文通讯作者徐敏义告诉《中国科学报》 ， 风能作为一种在自然界中广泛存在的清洁能源 ， 若对其进行采集并驱动传感节点工作 ， 将是解决无线传感网络供电问题的一种理想方法 。
自2012年摩擦纳米发电机问世以来 ， 其已被证明可以有效收集环境中低品位能量 。 可在较低的风速条件下收集环境风能 ， 这一发明丰富了风能采集的技术手段 。
论文第一作者、大连海事大学轮机工程学院博士生王岩介绍 ， 过去研究报道了很多将有机介电薄膜置于框架结构中的摩擦纳米发电机 ， 例如固定薄膜一端 ， 在风的作用下 ， 使薄膜自由端与固定电极拍打的模式；固定薄膜两端 ， 薄膜与上下电极发生接触的模式 ， 这些方法都取得了很好的发电效果 。
“然而 ， 由于结构的限制 ， 导致难以有效采集来自各个方向的风能 。 同时 ， 摩擦层与空气直接接触 ， 导致在湿度较大的条件下其发电性能会被严重削弱 。 ”王岩告诉《中国科学报》 。
针对上述问题 ， 徐敏义团队受到风吹旗子摆动这一常见现象的启发 ， 提出了一种旗子形态的“抗湿”摩擦纳米发电机（flag-typeTENG） ， 用以高效采集风能 。
特别设计任性采“能”
研究人员对旗形摩擦纳米发电机进行了特别的设计 。
徐敏义介绍 ， 旗形摩擦纳米发电机的基本结构 ， 是由两片附着导电油墨的PET薄膜（即柔性电极）和一片聚四氟乙烯（PTFE）薄膜叠加而成 ， 同时采用双面胶将两个柔性电极与PTFE薄膜粘贴在一起对其进行密封 。
【新型摩擦纳米发电机问世：“旗形”构造，高效采“风”】“双面胶有一定厚度 ， 使得柔性电极与PTFE薄膜间形成了一个空隙 。 当风吹动旗子摆动时 ， 由于柔性电极与PTFE薄膜的变形幅度不同 ， PTFE薄膜会与柔性电极产生摩擦 ， 根据摩擦起电原理 ， PTFE薄膜与柔性电极的表面会带上等量的异种电荷 。
随着PTFE薄膜与两侧柔性电极产生周期性的接触分离 ， 在连接两个电极的电路中就产生了交变电流 ， 于是就实现了风能向电能的转化 ， 就发出电了 。 ”徐敏义解释说 。
此外 ， 这种结构让摩擦层与空气隔绝 ， 使得发电性能不受相对湿度的影响 。
通过实验研究发现 ， 风向和相对湿度改变时 ， 旗形摩擦纳米发电机的发电性能并无明显下降 ， 这说明旗形摩擦纳米发电机可以在高湿度条件下正常采集风能 。
“由于其特殊结构 ， 虽然具备了防湿的特性 ， 但也牺牲了部分发电性能 。 ”徐敏义说 。
为此 ， 他们尝试了很多方法 ， 并查阅了大量文献 ， 在受到相关研究的启发后 ， 对旗形摩擦纳米发电机的布置方式进行了优化——将一对旗形摩擦纳米发电机相隔一定距离放置 ， 进而大大提升了其发电性能 。
“由于内部和外部流动区域之间的风速变化和压力差 ， 导致一对旗形摩擦纳米发电机在工作过程中可以产生相互拍打 。 与单一工作模式相比 ， 采用这种工作模式的旗形摩擦纳米发电机的功率密度可以提升40倍 。 ”徐敏义解释道 。
更重要的是 ， 他们在这个过程中受益匪浅 。 徐敏义说 ， 了解行业和相关领域最新研究动态 ， 有助于解决科研工作中遇到的问题 ， 为后续的研究工作提供新思路、新方法 。
找准需求加快应用
该研究将流致振动与摩擦纳米发电机有机结合 ， 系统研究了流—机—电耦合问题 ， 提出的旗形摩擦纳米发电机为传感网络的供电问题提供了一种新颖的解决方案 。
审稿人认为 ， “这是一台有趣的有关风能利用的旗形摩擦纳米发电机 ， 有关防潮防湿的材料和设计都十分巧妙 。 ”
旗形摩擦纳米发电机应用前景广阔 。 王岩向采访人员举例时说 ， 在气象站 ， 可应用于采集气象信息的百叶箱 ， 既可收集转换风能 ， 为布设的诸多传感器供电 ， 又能实现风速测量 。
“将研究成果转化为工业产品需要进行大量且严谨的测试 。 ”王岩坦承 ， 在后续的工作中 ， 将积极与企业对接 ， 根据行业需求 ， 不断优化产品结构设计、提升稳定性和精度 ， 早日将研究成果投入实际应用中 。
多年来 ， 徐敏义团队长期致力于摩擦纳米发电机在船舶与海洋工程领域的基础与应用研究 。
基于摩擦纳米发电机设计了多种形式的能量收集装置 ， 实现了波浪能、振动能、噪声能、风能和低品位水波能的高效收集 ， 还研发了自驱动式波浪能传感器、船舶水位传感器和流量传感器 。
“未来 ， 我们将继续发掘流致振动与摩擦纳米发电机的结合点 ， 将不同形式的流致振动现象应用于能量采集和传感 。 同时 ， 在基于摩擦纳米发电机的海洋能采集和自驱动式传感器领域做更多的尝试和探索 。 ”徐敏义说 。
相关论文信息：
《中国科学报》（2020-09-09第3版能源化工）
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