摩擦发电或将助力灾难救援

北京时间2014年3月18日下午,中国科学院北京纳米能源与系统研究所举办了摩擦发电新能源技术成果展示会,纳米能源所王中林院士携其研究团队展示了摩擦电发电机的最新研究成果,并进行了现场操作,体验“一举一动皆能发电”的全新能源供给模式。

王中林院士首先介绍了摩擦电发电机的基本原理,并通过视频展示了几个摩擦电发电机的工作状态。之后,王中林院士和其团队的研究人员在实验室向记者现场演示了包括旋转式直流摩擦发电机、刹车发电模拟装置、自驱动无线触摸报警器、柔性透明摩擦发电机、碟式宽频摩擦发电机、脚踏式摩擦发电机、潮汐能收集装置等在内的20件摩擦发电装置的现场发电操作。展示了摩擦电发电机对空气流动、水体流动和人体活动等各种机械能的高效收集能力,以及在绿色能源供给与自供能传感方面的巨大应用前景。

摩擦电发电机或将助力灾难救援

摩擦电发电机的动力源既可以是已被人们认识的风力、水力、海浪等大能源,也可以是人的行走、身体的晃动、手的触摸、下落的雨滴等从没被人们注意过的环境随机能源,更可以是车轮的转动、机器的轰鸣等被人们浪费、甚至是讨厌的垃圾能源。摩擦电发电机通过附着在产生这些动力的物体之上,而实现对机械能的有效收集。如此广泛的适用范围主要得益于其结构与运动主体的良好兼容性,而且这种兼容性也使其有望通过人类自身的活动为便携式、可穿戴式设备直接供电,从根本上解决便携设备功能越来越多、电池越来越不够用的矛盾。

“未来人们遭遇空难、地震等重大灾难时,可以通过自带发电设备传输救援信号。”王中林院士现场演示了手套摩擦生电技术,这一技术或将延展到走路时手臂的晃动,甚至是裙摆的摩擦。当面对重大灾难时,被困人员可通过自发电为搜救人员提供重要位置信息。

摩擦电发电机将全面升级穿戴设备

研究发现,摩擦电发电机的电信号输出与动力源的性质有明显相关性,这使得摩擦电发电机不仅可以作为电源,还可以作为传感器,用来反映物体的动作信息。感受终端无需电源,能够通过被测试对象自身的活动来驱动,实现自驱动的主动式传感。该技术在人机交互界面、智能传感和智能皮肤领域将有非常广阔的应用前景。

摩擦电发电机的成本很低,主要部件由有机材料和常见金属构成,而且用量极少,非常适合大规模产业化推广。其输出性能可以通过简单的材料更换或者在材料表面制备纳米涂层来控制和改善,还可以通过化学方法对其表面进行修饰,以实现更丰富的功能。这给化学和材料领域增加了非常多的基础和应用研究的机会,甚至可能产生一些新的研究方向,并带动新兴行业的快速发展。

摩擦电发电机从第一次问世到现在仅有两年多的时间,但是在这两年里却通过其发电模式的多样化、结构的高度可调性和输出性能的不断飞跃,向人们展示了其未来应用的无限潜力,引起了学术界和产业界的极大兴趣。我们可以想象,当随身携带的手机不再需要电池,当腕带能够感受健康,科幻影片中的智能生活离我们还会很远么?

摩擦电发应用

1. 按压式/滑动式摩擦发电机

按压式/滑动式摩擦发电机的原理基于接触/滑动摩擦起电,采用两个摩擦电性相反的材料作为摩擦面,通过按压或滑动的方式,使得两个材料的表面分别带有极性相反的电荷。摩擦电荷导致电势差,驱动电子在外电路中往复流动,直接对电子器件供电或给储能元件充电。

2. 振动式摩擦发电机

振动式摩擦发电机是基于摩擦起电和静电感应原理,通过弹簧连接两种摩擦材料,在环境振动的作用下实现材料的接触和分离,从而产生脉冲式电流输出。振动式摩擦发电机可以采集建筑物、车辆、甚至生物体的振动能,连续的为低功耗、便携式电子设备或植入式医疗器件提供能量来源。

3. 旋转式直流摩擦发电机

旋转式直流摩擦发电机的原理基于摩擦起电和静电感应现象,采用两个转盘和两对碳纤维柔性电刷,通过旋转机械能驱动下的滑动摩擦和电极切换,产生连续输出的直流电。旋转式直流摩擦发电机可以作为恒定的电流源,直接连续的用于对电子器件供电或给储能元件充电。

4. 自供能光束调节器

自供能光束调节器由摩擦发电机和压电纤维片组成。通过两个摩擦电性相反的材料产生摩擦而输出的高电压来驱动压电片的弯曲变形,实现对入射光束的调节。该光束调节器无需高压电源,在外力的作用下即可将采集的能量直接用于驱动压电片,实现宏观机械运动对微观致动的远程控制,具有高效节能的特点,适用于自驱动系统。

5. 刹车发电模拟装置

本刹车片模拟装置,利用静电感应原理,收集车轮在日常转动过程中刹车片与车轮相对运动而产生的电能,为车载电子器件、灯具等提供电能,并在刹车瞬间获得高达数瓦的电能输出。

6. 自驱动无线触摸报警器

自驱动无线触摸报警器将摩擦发电机与功率调控电路相结合,通过电容阵列的串并联切换实现降低发电机输出电压、提高输出电荷总量。同时,由于发电机的放电时间缩短,其输出电流和功率得以大幅提高。因此,发电机受按压后产生的电信号可直接通过红外发射管激发红外信号,为自驱动传感技术奠定了基础。

7. 纺织品摩擦发电手套

纺织品摩擦发电机采用尼龙、涤纶等常见纺织品作为摩擦面,使用导电性较好的碳纤维布或银纤维布作为电极材料,单次摩擦可产生几百甚至上千伏的电压,发电效果显著。这种摩擦发电机柔性较好,将来可用作服装面料,收集人们日常活动所产生的能量,给各种便携式电子设备供电。而使用本摩擦发电机制成的发电手套,可以用作中小学物理实验器材、魔术道具、玩具等领域。

8. 自供能发光拍手器

发光拍手器是晚会、演唱会等娱乐场合的常用商品,但目前市面上的发光拍手器都是使用电池供电,这不仅是一种资源浪费,还对环境有潜在威胁。本发光拍手器采用摩擦发电机代替电池给LED供电,不仅成本低廉,节能环保,且更具趣味性,有利于推广摩擦发电机在玩具领域的应用,具有广阔的市场前景。

9. 柔性透明摩擦发电机

柔性透明摩擦发电机采用的是全透明的聚合物基底和电极,聚合物薄膜表面用微加工的方法制作各种规则的微型阵列结构,以此增强摩擦效应从而提高纳米发电机的输出效率,3cm×3cm的柔性器件即可同时点亮50多盏LED灯。兼具柔性和透明特性的纳米发电机在光学器件、电子显示器件、个人电子设备等领域具有广阔的应用前景。

10. 碟式宽频摩擦发电机

碟式宽频摩擦发电机的原理基于滑动式摩擦起电效应,摩擦电序不同的两种薄膜材料分别固定于两个尺寸不同的圆盘上,实现充分接触的相对滑动,并通过三个弹簧,使每次相对滑动之后,两圆盘上的摩擦材料均可恢复到初始状态。碟式宽频摩擦发电机可用于收集各种震动频率的机械能,用于电子器件的供电或给储能元件充电。

11. 脚踏式摩擦发电机

脚踏式摩擦发电机的原理基于按压式摩擦起电效应,夹层并联式的结构,使得输出电流能在空间范围的情况下增大一倍。中间波浪式的夹层不仅能够作为并联摩擦发电机的摩擦面,也可以起到接受外界应力之后恢复到原始位置的作用,从而实现器件的连续工作。脚踏式摩擦发电机可用于收集人走路时按压地面产生的能量,用以驱动电子器件或能量存储。

12. 潮汐能收集装置

海洋约占地球面积的71%,其存在着大量的能源有待我们去开发利用。潮汐作为海洋中的自然现象,其存在的能量长期以来都无法得到利用,造成能源的浪费。潮汐能收集装置依靠海浪的拍打,促使摩擦面的接触分离,将机械能转化为电能,实现能量的收集。此装置成本低廉,利于产业化生产,有着广发的应用前景。

13. 自供能电子浮漂

电子浮漂在海洋科学,环境监测中具有重要应用。但是现在市场上的电子浮漂都是使用电池供电,造成能源的浪费。本电子浮漂通过摩擦发电机的接触分离,产生电能给LED灯供能。并且可以作为震动和位置传感器,精确判定海浪大小,充分利用了海洋机械能,具有广阔的应用前景。

14. 单电极摩擦发电球

基于摩擦起电和静电感应现象,三维球形摩擦发电机可以有效的收集周围全空间的振动能量。该系统采用单电极模式,在接触分离和滑动摩擦两种形式下,金属电极失去电子,从而带正电荷,导致与接地端产生电势差,驱动外电路中电子的流动。

15. 地毯地位装置

地毯定位装置采用单电极模式。行人鞋上带有的电荷,通过静电感应现象,使摩擦发电机感应出极性相反的电荷。这些电荷和地之间存在着电势差,从而驱动电子在外电路中流动。该地毯定位装置不仅可以精确的判断出行人的具体位置,还可以收集行人走路的机械能。、

16. 风力摩擦发电装置

风力摩擦发电装置是一种将风能转化为电能的装置,基于接触分离式和滑动式摩擦的结合,通过风吹动转子的转动带动多个摩擦板连续工作,产生高频输出的交流电,通过整流桥直接连续的用于对电子器件供电或给储能元件充电。

17. 大功率摩擦发电机

大功率摩擦发电机是由平面化的圆形定子和转子两部分组成,其相互接触的材料表面由一圈呈放射性密排的微小扇形组成。在相互滑动的过程中,电极之间的电荷转移量可以通过材料表面有序图案化得到极大提高,使摩擦发电机的输出功率产生了质的飞跃。该发电机的最高平均输出功率为1.5瓦,功率密度高达19mW/cm2,其所对应的能量转化效率为24%.

18. 阵列式摩擦发电机

阵列式纳米发电机的原理是基于摩擦发电机的自驱动动/静态的压力测试与成像系统。将摩擦发电机阵列式排布,任何一个像素点受到压力后,会在相应位置有电压和电流输出,电压输出用以表征器件受到的静态压力变化,电流输出用以表征器件受到的动态压力变化。其次,电压输出与压力的大小呈线性关系,故该自驱动压力测试与成像系统还具有高灵敏度、响应速度快的压力测试功能。

19. 声波传感装置

声波传感器采用的是有机聚合物薄膜和金属电极双层结构,聚合物薄膜表面用微加工的方法制作各种规则的微型阵列结构,以此增强摩擦效应从而提高传感器的灵敏度。薄膜在声波的作用下作受迫振动,与金属电极产生摩擦,产生感应电荷,从而输出电学信号。此传感器可以用在大气和液体环境中,用于声音记录和声源定位等。

20. 水滴发电装置

本装置能将水滴(雨滴)下落过程中与空气摩擦产生的静电能有效的收集并储存起来,具有结构简单、成本低廉、无毒无污染等优点,是一种收集广泛自然界能源的有效途径。

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[责任编辑:viveeliu]

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