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    科學家用水氣球成功收集波浪能

    發布時間:2020-07-09來源:中國科學報作者:崔雪芹0

    近日,《先進能源材料》刊發浙江大學海洋學院海洋電子與智能系統研究所納米能源研究團隊新成果,他們利用生活中常見的氣球,制作出可用于收集波浪能的多倍頻高性能摩擦納米發電機。

    近年來,波浪能的研究是海洋能源利用領域中最為重要的一項工作。而摩擦電納米發電機(TENG)作為新一代的能源器件,能夠有效地將低頻和低振幅的機械能轉化為電能,為從海浪能中獲取能量提供了一種新途徑?;诖?,浙江大學海洋學院2019級博士研究生夏克泉將這一特殊結構與近年來專注的納米能源研究結合起來,利用生活中習以為常的材料發電。

    研究團隊制備了一種基于水氣球的多倍頻高性能摩擦納米發電機(WB-TENG)用于波浪能收集。WB-TENG由一個方形盒和一個水氣球構成。方形盒內壁覆蓋一層導電銅箔,其表面粘貼一層尼龍薄膜。將導線放到氣球中,然后注入氯化鈉水溶液,最后通過打結的方式進行密封。將制作好的水氣球放到方形盒子中,WB-TENG發電器件就完成了。

    根據摩擦起電原理,當氣球和尼龍薄膜相互碰撞摩擦時,兩種薄膜的表面會帶上等量的異種電荷。當兩種薄膜做接觸—分離運動時,根據靜電感應原理,氣球中的氯化鈉溶液和附著在尼龍薄膜上的導電銅箔就會感應出等量異種電荷,這時,在連接兩個電極的電路中就會產生交變電流。

    目前有多種用于收集水波能的摩擦納米發電機結構,但其工作模式單一、能量轉化效率低,限制了TENG的實際應用。而WB-TENG能夠實現三種工作模式——完全接觸—分離模式、局部接觸—分離模式、往復接觸—分離模式,可以收集任意方向的機械能,極大推動了TENG在海洋能收集方面的應用。

    此外,由于水氣球具有很好的彈性,當WB-TENG受到低頻率的外力作用時,水氣球會在盒子內部不斷和內壁碰撞,進而產生多倍頻的輸出電流。根據實驗測試,在相同條件下,WB-TENG在一個工作周期內的總轉移電荷是傳統的基于雙板結構TENG的28倍,可以大大提升能量轉化效率。

    根據水氣球的可拉伸性,在氣球與尼龍薄膜的不斷碰撞摩擦過程中,氣球表面不斷地積累電荷直到飽和,這會帶來超高的輸出性能。根據實驗測試,在1.5赫茲的工作頻率下,WB-TENG短路電流的瞬時峰值可以達到147微安,開路電壓的瞬時峰值可以達到1221伏。同時,WB-TENG在外接負載為20兆歐時達到最大輸出功率,其瞬時峰值為13.52毫瓦。


    《中國科學報》2020年7月9日04版


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