中科院北京納米所開發微型風力渦輪機，可以從微風中收集風能

2020-09-24 學術頭條

一直以來，能源危機是世界關注的焦點，而發展可再生、環保的新能源是人類社會發展最緊迫的挑戰之一。


近年來，利用光、振動、熱、無線電波等形式的環境能源吸引了更多研究人員的注意，並且已經開發了幾種利用不同類型能源來發電的方法。


相對而言，風力發電是目前可用的最具成本效益、價格最低的能源之一。


通常情況下，風力渦輪機是將風能轉化為電能的裝置，用於收集風能，並廣泛應用於我們的日常生活中。然而，高成本的基礎上，產生的噪音，和審美汙染仍然是問題。而且陸地上現有的大部分風力都過於柔和，無法推動商用風力渦輪機的葉片。


但現在，來自中科院北京納米能源與系統研究所的研究人員設計了一種「微型風力渦輪機」，可以從與步行產生的風力差不多的微風中收集風能。



這種以低成本、高效收集微風的方法於9月23日發表在《細胞報告物理科學》(Cell Reports Physical Science)雜誌上。


風中摩擦發電


從技術上講，這個新裝置並不是渦輪機，而是一種納米發電機，由管內的兩條塑料條組成。當有氣流時，這些塑料條會顫動或拍擊在一起。


就像在頭髮上摩擦氣球一樣，這兩種塑料在分離接觸後會帶電，這種現象被稱為摩擦電效應，之後這兩條塑料條產生的電能會被捕獲並儲存起來。



結果顯示，每秒1.6米的微風就足以驅動這款摩擦電納米發電機。當風速在4 - 8米/秒(8.9 - 17.9英裡/小時)之間時，納米發電機的性能最佳，這一速度使得兩條塑料帶能夠同步擺動。


而且，該裝置的風能轉換效率高達3.23%，這一數值超過了之前報導的風能回收性能。目前，該研究小組的設備可以為100個LED燈和溫度傳感器供電。


這種摩擦納米發動機裡的兩種塑料條薄膜其實質是由有摩擦電的薄膜組成。而這種薄膜由帶有Ag電極的鐵電聚偏二氟乙烯（PVDF）膜和塗有氟化聚乙烯丙烯（PEP）的PVDF膜組成。


它們主要利用伯努利效應進行相互作用，而所謂的伯努利效應是指當通過流體的水平流動速度增加時，壓力就會減小。在這個風收集系統中，當氣流穩定時，兩膜由於伯努利效應會表現出快速周期性的接觸和分離的動態特徵。



為了使納米發電機獲得良好的電能輸出，研究人員還研究了由FEP膜和PVDF膜組成的摩擦電層，他們採用靜電鍵合方法將FEP層和PVD層進行了層合。


首先，將FEP膜暴露於15 kV尖端電壓的電暈中5分鐘；此後，將PVDF膜附著到FEP膜的帶電錶面並通過靜電作用吸收；最後，將與第一次電暈相同參數的第二次電暈施加到鍵合的FEP-PVDF系統上。通過測量表面點位，結果發現層壓薄膜具有較好的電荷儲存穩定性。


簡言之，摩擦納米發動機原理是當兩個薄膜因為伯努利效應互相接觸時會摩擦生電，同時由於薄膜存儲電荷的特性，可以將電能存儲，由此來供電。


讓更小型的風力發電機成為可能


論文通訊作者之一、中國科學院北京納米能源與系統研究所研究員、微納能源與傳感實驗室負責人楊亞表示，「你可以收集日常生活中的所有微風，有一次，我們把納米發電機放在一個人的手臂上，擺動的手臂產生的氣流就足以產生電力。」



楊亞補充道，「我們的目的不是要取代現有的風力發電技術，而是解決傳統風力渦輪機無法解決的問題。風力渦輪機使用線圈和磁鐵，成本是固定的，而我們可以為我們的設備挑選低成本的材料。我們的設備也可以安全地應用於自然保護區或城市，因為它沒有旋轉結構。」


研究人員表示，他們對這個項目的下一步計劃有兩種設想，一種是小的，一種是大的。


之前，楊亞和他的同事曾設計了一個硬幣大小的納米發電機，但他想讓它更小，更緊湊，效率更高。在未來，楊亞和他的同事們還希望將該設備與像手機這樣的小型電子設備結合起來，以提供可持續的電力。


但楊亞也在尋求讓設備更大、更強大。


「我希望將該設備的生產規模擴大到1000瓦，這樣它就能與傳統的風力渦輪機競爭。我們可以把這些設備放在傳統風力渦輪機無法到達的地方。我們可以把它放在山上或建築物的頂部，以獲得可持續能源。」



楊亞簡介


楊亞，中國科學院北京納米能源與系統研究所研究員，博士生導師，微納能源與傳感實驗室負責人。


在微納能源與傳感研究方面，取得了具有國際重要影響力的原創性和開創性研究成果。以構建高性能多效應耦合納米發電機和高精度自供電傳感器陣列為目標，從鐵電材料的設計和可控制備出發，探索力-熱-光耦合效應對納米發電機的調製機理，在新型複合與耦合納米發電機的設計和集成、基於複合與耦合納米發電機的自驅動多功能傳感器、柔性大規模傳感陣列系統等領域取得了重要進展。


在國際SCI雜誌Science Advances（Science子刊）、Energy & Environmental Science、Advanced Materials和Advanced Energy Materials等發表學術論文170餘篇。研究結果被各類著名國際學術期刊或媒體如Nature Photonics、ScienceDaily、Phys.org、Nanotechweb.org等作為亮點報導。論文被引用總數10000餘次，H指數為60 (Researcher ID的數據)。已授權美國專利1項，申請和授權的中國專利40餘項。


北京納米能源與系統研究所


中國科學院北京納米能源與系統研究所是中科院和北京市共建的新型科研單元。2012年2月，中國科學院北京納米能源與系統研究所正式開始籌建。2018年5月17日，北京市與中國科學院正式籤訂共建納米能源所協議書，同年11月被納入北京市支持建設世界一流新型研發機構建設名單。納米能源所將於2019年整建制搬遷至懷柔科學城，研究所將是科學城建設以來首個整建制遷入的研究機構。


納米能源所在本領域處於國際研究領頭羊地位，目前全世界40多個國家和地區、430多個研究單元、近4000多人在做相關研究。研究所發起了兩個國際性的品牌會議已經成立，即「納米能源與納米系統國際會議」（NENS）和「納米發電機與壓電電子學國際會議」（NGPT），第四屆NENS2019在2019年6月在北京召開，NGPT2020於2020年在英國劍橋大學召開。


排版：趙辰霞

編審：王新凱


參考來源：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386420302228?via%3Dihub

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/09/200923124720.htm
http://sourcedb.binn.cas.cn/zw/zjrck/yjy/201308/t20130814_3911917.html

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