從水環(huán)境監(jiān)測到水波能量農(nóng)場的自驅(qū)動(dòng)摩擦納米

瀏覽次數(shù)： 342 發(fā)布時(shí)間：2017-09-08 09:29:53 發(fā)布人：editor

　　巨大的綠色能源：水能，存在于世界各個(gè)角落。目前對于水能的利用都是通過電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)，將其轉(zhuǎn)化為電能。由于電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)的渦輪轉(zhuǎn)化效率低、設(shè)備復(fù)雜、水腐蝕以及高昂的維修費(fèi)，使得大部分水能沒有得到充分的利用。最近基于摩擦起電和靜電感應(yīng)耦合的摩擦納米發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)解決了這一問題。摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、質(zhì)量輕且材料選擇范圍寬，為水能的收集提供更加簡便的途徑。

　　就摩擦納米發(fā)電機(jī)針對水能收集而言也存在著一些問題：水波頻率低，方向任意，給摩擦納米發(fā)電機(jī)施加的力有限，造成功率輸出有限;以前的摩擦納米發(fā)電機(jī)的外表面沒有得到充分利用，使其在收集水能時(shí)，轉(zhuǎn)化效率低下;長時(shí)間在水上，因水的滲入，容易造成發(fā)電機(jī)失效。因?yàn)檫@些問題的存在，研究人員開發(fā)出了一種三維高度對稱的球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)，充分利用球形結(jié)構(gòu)的內(nèi)外表面，使得該發(fā)電機(jī)內(nèi)表面都可以收集能量;而且水的滲入，也不會(huì)造成發(fā)電機(jī)的失效，遠(yuǎn)遠(yuǎn)增加了發(fā)電機(jī)的壽命。

　　【成果簡介】

　　近日，新加坡國立大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系Chengkuo Lee教授研究小組構(gòu)建了一種三維高度對稱的球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)可以收集各個(gè)方向水能。同時(shí)，也可以作為一種釣魚傳感器或者為其他傳感器，如：水溫、水污染傳感器等提供能量。由于該發(fā)電機(jī)的適應(yīng)性和拓展性，使得發(fā)電機(jī)可以連接起來，形成發(fā)電機(jī)網(wǎng)，打造水能農(nóng)場。該成果以“Self-powered triboelectric nanogenerator buoy ball for applications ranging from environment monitoring to water wave energy farm”為題發(fā)表在Nano Energy上。

　　[致歉：很抱歉，未能找到通訊作者 Chengkuo Lee 的確切中文名字，小編表示誠摯的歉意!]

　　【圖文導(dǎo)讀】

　　圖1. 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

　　(a) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)網(wǎng)絡(luò)在水面的概念圖;

　　(b) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)的示意圖;

　　(d) 內(nèi)部含水的完整球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)和半球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)實(shí)物圖;

　　(e) 不同器件層截面結(jié)構(gòu)的放大圖。

　　圖2. 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作原理

　　(a) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)內(nèi)層在振動(dòng)下的工作原理;

　　(b) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)內(nèi)層在旋轉(zhuǎn)下的工作原理;

　　(d) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)外層在上下振動(dòng)時(shí)的工作原理;

　　(e) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)在水表面來回滾動(dòng)時(shí)的工作原理;

　　(f) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)在水表面朝一個(gè)方向滾動(dòng)的工作原理。

　　圖3. 不同電介質(zhì)材料輸出性能表征

　　(a) 擁有不同電介質(zhì)材料：PDMS、Kapton、PTFE的單電極式發(fā)電機(jī)的器件結(jié)構(gòu);

　　(b) 發(fā)電機(jī)在水箱中的工作機(jī)理;

　　(d) 發(fā)電機(jī)在PDMS下的輸出電壓;

　　(e) 發(fā)電機(jī)在Kapton下的輸出電壓;

　　(f) 發(fā)電機(jī)在不同電介質(zhì)材料下的輸出電流;

　　(g) 發(fā)電機(jī)在PDMS下的輸出電流;

　　(h) 發(fā)電機(jī)在Kapton下的輸出電流。

　　圖4. 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)的優(yōu)化和器件特性

　　(a) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)在振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)下測試的示意圖;

　　(b) 在3.5Hz振動(dòng)頻率下，不同體積水中，球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出電壓;

　　(d) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)在不同振動(dòng)頻率下的輸出電壓;

　　(e) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)在不同振動(dòng)幅度下的輸出電壓;

　　(f) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)在不同旋轉(zhuǎn)頻率下的輸出電壓;

　　(g) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)在不同旋轉(zhuǎn)直徑下的輸出電壓;

　　(h) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)振動(dòng)時(shí)，內(nèi)部電極產(chǎn)生的電流;

　　(i) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)振動(dòng)時(shí)，內(nèi)部電極產(chǎn)生的電荷量。

　　圖5. 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)在不同機(jī)械激發(fā)下的能量收集能力

　　(a) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)在與x軸呈30?、45?和60?方向振動(dòng)的示意圖;

　　(b) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)在與x軸呈30?、45?和60?方向振動(dòng)的電壓輸出;

　　(d) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)在旋轉(zhuǎn)直徑為1cm、3cm和5cm下的示意圖;

　　(e) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)在旋轉(zhuǎn)直徑為1cm、3cm和5cm下的電壓輸出;

　　(f) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)在旋轉(zhuǎn)直徑為1cm、3cm和5cm下的電流輸出;

　　(g) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)繞中心軸水平和垂直方向旋轉(zhuǎn)時(shí)的示意圖;

　　(h) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)繞中心軸水平和垂直方向旋轉(zhuǎn)時(shí)的電壓輸出;

　　(i) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)繞中心軸水平和垂直方向旋轉(zhuǎn)時(shí)的電流輸出;

　　(j) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)快速和緩慢滾動(dòng)時(shí)的示意圖;

　　(k) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)快速和緩慢滾動(dòng)時(shí)的電壓輸出;

　　(l) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)快速和緩慢滾動(dòng)時(shí)的電流輸出。

　　圖6. 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)的水波能量收集

　　(a) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)漂浮在水面上的示意圖，插圖為實(shí)體圖;

　　(b) 四個(gè)單電極式水基發(fā)電機(jī)附在球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)外壁上形成提高式球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)的示意圖，插圖為實(shí)體圖;

　　(d) 提高式球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)在0.15Hz水波激發(fā)下的電壓輸出;

　　(e) 提高式球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)在連續(xù)水波激發(fā)下的電壓輸出;

　　(f) 在連續(xù)水波激發(fā)下，球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)內(nèi)外電極產(chǎn)生的電流輸出;

　　(g) 在連續(xù)水波激發(fā)下，球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)內(nèi)外電極產(chǎn)生的電荷量;

　　(h) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)的多個(gè)輸出通道經(jīng)并聯(lián)整流后給電容充電;

　　(i) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)給電容充電的電壓輸出曲線。

　　圖7. 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)作為自驅(qū)動(dòng)釣魚傳感器

　　(a) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)作為釣魚傳感器漂浮在水面上的示意圖;

　　(b) 球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)在拉力下的測試設(shè)置圖;

　　(d) 在靜水面上球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)電壓輸出和施加拉力大小的關(guān)系;

　　(e) 在靜水面上，施加0.3N拉力下，球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)電壓輸出;

　　(f) 在靜水面上，施加0.85N拉力下，球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)電壓輸出;

　　(g) 在波浪面上球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)電壓輸出和施加拉力大小的關(guān)系;

　　(h) 在波浪面上，施加0.3N拉力下，球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)電壓輸出;

　　(i) 在波浪面上，施加0.85N拉力下，球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)電壓輸出。

　　【小結(jié)】

　　該團(tuán)隊(duì)為收集水波能量構(gòu)建一種高度對稱的三維球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)。該發(fā)電機(jī)的內(nèi)外壁均可以收集水能，提高了傳統(tǒng)摩擦納米發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)化效率。由于內(nèi)壁疏水性材料的選擇，即使水滲入發(fā)電機(jī)的內(nèi)部，也不會(huì)使發(fā)電機(jī)失效，這增加了發(fā)電機(jī)的服役周期。同時(shí)可以將單個(gè)的三維球形水基摩擦納米發(fā)電機(jī)集成化，構(gòu)建發(fā)電機(jī)網(wǎng)，為未來打造水波能量農(nóng)場提供了可行途徑。因此，這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)的納米發(fā)電機(jī)為未來大范圍水能收集奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。