從水環境監測到水波能量農場的自驅動摩擦納米

瀏覽次數： 342 發布時間：2017-09-08 09:29:53 發布人：editor

　　巨大的綠色能源：水能，存在于世界各個角落。目前對于水能的利用都是通過電磁感應發電機，將其轉化為電能。由于電磁感應發電機的渦輪轉化效率低、設備復雜、水腐蝕以及高昂的維修費，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耦合的摩擦納米發電機的出現解決了這一問題。摩擦納米發電機結構簡單、成本低廉、質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。

　　就摩擦納米發電機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，給摩擦納米發電機施加的力有限，造成功率輸出有限;以前的摩擦納米發電機的外表面沒有得到充分利用，使其在收集水能時，轉化效率低下;長時間在水上，因水的滲入，容易造成發電機失效。因為這些問題的存在，研究人員開發出了一種三維高度對稱的球形水基摩擦納米發電機，充分利用球形結構的內外表面，使得該發電機內表面都可以收集能量;而且水的滲入，也不會造成發電機的失效，遠遠增加了發電機的壽命。

　　【成果簡介】

　　近日，新加坡國立大學電氣與計算機工程系Chengkuo Lee教授研究小組構建了一種三維高度對稱的球形水基摩擦納米發電機，該發電機可以收集各個方向水能。同時，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。由于該發電機的適應性和拓展性，使得發電機可以連接起來，形成發電機網，打造水能農場。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!]

　　【圖文導讀】

　　圖1. 球形水基摩擦納米發電機的結構圖

　　(a) 球形水基摩擦納米發電機網絡在水面的概念圖;

　　(b) 球形水基摩擦納米發電機的示意圖;

　　(d) 內部含水的完整球形水基摩擦納米發電機和半球形水基摩擦納米發電機實物圖;

　　(e) 不同器件層截面結構的放大圖。

　　圖2. 球形水基摩擦納米發電機的工作原理

　　(a) 球形水基摩擦納米發電機內層在振動下的工作原理;

　　(b) 球形水基摩擦納米發電機內層在旋轉下的工作原理;

　　(d) 球形水基摩擦納米發電機外層在上下振動時的工作原理;

　　(e) 球形水基摩擦納米發電機在水表面來回滾動時的工作原理;

　　(f) 球形水基摩擦納米發電機在水表面朝一個方向滾動的工作原理。

　　圖3. 不同電介質材料輸出性能表征

　　(a) 擁有不同電介質材料：PDMS、Kapton、PTFE的單電極式發電機的器件結構;

　　(b) 發電機在水箱中的工作機理;

　　(d) 發電機在PDMS下的輸出電壓;

　　(e) 發電機在Kapton下的輸出電壓;

　　(f) 發電機在不同電介質材料下的輸出電流;

　　(g) 發電機在PDMS下的輸出電流;

　　(h) 發電機在Kapton下的輸出電流。

　　圖4. 球形水基摩擦納米發電機的優化和器件特性

　　(a) 球形水基摩擦納米發電機在振動和旋轉下測試的示意圖;

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

　　(d) 球形水基摩擦納米發電機在不同振動頻率下的輸出電壓;

　　(e) 球形水基摩擦納米發電機在不同振動幅度下的輸出電壓;

　　(f) 球形水基摩擦納米發電機在不同旋轉頻率下的輸出電壓;

　　(g) 球形水基摩擦納米發電機在不同旋轉直徑下的輸出電壓;

　　(h) 球形水基摩擦納米發電機振動時，內部電極產生的電流;

　　(i) 球形水基摩擦納米發電機振動時，內部電極產生的電荷量。

　　圖5. 球形水基摩擦納米發電機在不同機械激發下的能量收集能力

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

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

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

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

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

　　(g) 球形水基摩擦納米發電機繞中心軸水平和垂直方向旋轉時的示意圖;

　　(h) 球形水基摩擦納米發電機繞中心軸水平和垂直方向旋轉時的電壓輸出;

　　(i) 球形水基摩擦納米發電機繞中心軸水平和垂直方向旋轉時的電流輸出;

　　(j) 球形水基摩擦納米發電機快速和緩慢滾動時的示意圖;

　　(k) 球形水基摩擦納米發電機快速和緩慢滾動時的電壓輸出;

　　(l) 球形水基摩擦納米發電機快速和緩慢滾動時的電流輸出。

　　圖6. 球形水基摩擦納米發電機的水波能量收集

　　(a) 球形水基摩擦納米發電機漂浮在水面上的示意圖，插圖為實體圖;

　　(b) 四個單電極式水基發電機附在球形水基摩擦納米發電機外壁上形成提高式球形水基摩擦納米發電機的示意圖，插圖為實體圖;

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

　　(e) 提高式球形水基摩擦納米發電機在連續水波激發下的電壓輸出;

　　(f) 在連續水波激發下，球形水基摩擦納米發電機內外電極產生的電流輸出;

　　(g) 在連續水波激發下，球形水基摩擦納米發電機內外電極產生的電荷量;

　　(h) 球形水基摩擦納米發電機的多個輸出通道經并聯整流后給電容充電;

　　(i) 球形水基摩擦納米發電機給電容充電的電壓輸出曲線。

　　圖7. 球形水基摩擦納米發電機作為自驅動釣魚傳感器

　　(a) 球形水基摩擦納米發電機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電機在拉力下的測試設置圖;

　　(d) 在靜水面上球形水基摩擦納米發電機電壓輸出和施加拉力大小的關系;

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

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

　　(g) 在波浪面上球形水基摩擦納米發電機電壓輸出和施加拉力大小的關系;

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

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

　　【小結】

　　該團隊為收集水波能量構建一種高度對稱的三維球形水基摩擦納米發電機。該發電機的內外壁均可以收集水能，提高了傳統摩擦納米發電機的轉化效率。由于內壁疏水性材料的選擇，即使水滲入發電機的內部，也不會使發電機失效，這增加了發電機的服役周期。同時可以將單個的三維球形水基摩擦納米發電機集成化，構建發電機網，為未來打造水波能量農場提供了可行途徑。因此，這種獨特結構的納米發電機為未來大范圍水能收集奠定了堅實的基礎。