新型摩擦納米發電機問世：「旗形」構造，高效採「風」

2020-09-09 中國科學報

作者 | 韓揚眉

徐敏義團隊供圖

摩擦納米發電機作為高效的能量收集和轉換新途徑，在風能、水能、波浪能等各種機械能的收集轉換中得到了廣泛的拓展應用。其自供電的特性更為自然環境中設備運行的持續供能提供了一種理想方案。

近日，大連海事大學輪機工程學院教授徐敏義團隊提出並系統性研究了一種新型防潮且自適應風向的旗形摩擦納米發電機。

其不僅可在潮溼環境下高效收集不同方向的風能，還能測量風速，實現風速傳感，為無線傳感網絡的供電問題提供了一種新穎的解決方案。相關研究成果已發表於《納米能源》雜誌。

風能收集突破「限制」

近年來，隨著物聯網技術的快速發展，各種無線傳感網絡應運而生。無線傳感網絡由區域內數以萬計的傳感器節點組成，在電氣自動化、環境智能監測、車輛定位等方面有著廣泛應用。

然而，難以持續供電，成為暴露在自然環境中的傳感器節點的重要問題之一。

「傳感節點的自驅動是傳感器發展的重要方向之一。」論文通訊作者徐敏義告訴《中國科學報》，風能作為一種在自然界中廣泛存在的清潔能源，若對其進行採集並驅動傳感節點工作，將是解決無線傳感網絡供電問題的一種理想方法。

自2012年摩擦納米發電機問世以來，其已被證明可以有效收集環境中低品位能量。可在較低的風速條件下收集環境風能，這一發明豐富了風能採集的技術手段。

論文第一作者、大連海事大學輪機工程學院博士生王巖介紹，過去研究報導了很多將有機介電薄膜置於框架結構中的摩擦納米發電機，例如固定薄膜一端，在風的作用下，使薄膜自由端與固定電極拍打的模式；固定薄膜兩端，薄膜與上下電極發生接觸的模式，這些方法都取得了很好的發電效果。

「然而，由於結構的限制，導致難以有效採集來自各個方向的風能。同時，摩擦層與空氣直接接觸，導致在溼度較大的條件下其發電性能會被嚴重削弱。」王巖告訴《中國科學報》。

針對上述問題，徐敏義團隊受到風吹旗子擺動這一常見現象的啟發，提出了一種旗子形態的「抗溼」摩擦納米發電機（flag-type TENG），用以高效採集風能。

特別設計 任性採「能」

研究人員對旗形摩擦納米發電機進行了特別的設計。

徐敏義介紹，旗形摩擦納米發電機的基本結構，是由兩片附著導電油墨的PET薄膜（即柔性電極）和一片聚四氟乙烯（PTFE）薄膜疊加而成，同時採用雙面膠將兩個柔性電極與PTFE薄膜粘貼在一起對其進行密封。

「雙面膠有一定厚度，使得柔性電極與PTFE薄膜間形成了一個空隙。當風吹動旗子擺動時，由於柔性電極與PTFE薄膜的變形幅度不同，PTFE薄膜會與柔性電極產生摩擦，根據摩擦起電原理，PTFE薄膜與柔性電極的表面會帶上等量的異種電荷。

隨著PTFE薄膜與兩側柔性電極產生周期性的接觸分離，在連接兩個電極的電路中就產生了交變電流，於是就實現了風能向電能的轉化，就發出電了。」徐敏義解釋說。

此外，這種結構讓摩擦層與空氣隔絕，使得發電性能不受相對溼度的影響。

通過實驗研究發現，風向和相對溼度改變時，旗形摩擦納米發電機的發電性能並無明顯下降，這說明旗形摩擦納米發電機可以在高溼度條件下正常採集風能。

「由於其特殊結構，雖然具備了防溼的特性，但也犧牲了部分發電性能。」徐敏義說。

為此，他們嘗試了很多方法，並查閱了大量文獻，在受到相關研究的啟發後，對旗形摩擦納米發電機的布置方式進行了優化——將一對旗形摩擦納米發電機相隔一定距離放置，進而大大提升了其發電性能。

「由於內部和外部流動區域之間的風速變化和壓力差，導致一對旗形摩擦納米發電機在工作過程中可以產生相互拍打。與單一工作模式相比，採用這種工作模式的旗形摩擦納米發電機的功率密度可以提升40倍。」徐敏義解釋道。

更重要的是，他們在這個過程中受益匪淺。徐敏義說，了解行業和相關領域最新研究動態，有助於解決科研工作中遇到的問題，為後續的研究工作提供新思路、新方法。

找準需求 加快應用

該研究將流致振動與摩擦納米發電機有機結合，系統研究了流—機—電耦合問題，提出的旗形摩擦納米發電機為傳感網絡的供電問題提供了一種新穎的解決方案。

審稿人認為，「這是一臺有趣的有關風能利用的旗形摩擦納米發電機，有關防潮防溼的材料和設計都十分巧妙。」

旗形摩擦納米發電機應用前景廣闊。王巖向記者舉例時說，在氣象站，可應用於採集氣象信息的百葉箱，既可收集轉換風能，為布設的諸多傳感器供電，又能實現風速測量。

「將研究成果轉化為工業產品需要進行大量且嚴謹的測試。」王巖坦承，在後續的工作中，將積極與企業對接，根據行業需求，不斷優化產品結構設計、提升穩定性和精度，早日將研究成果投入實際應用中。

多年來，徐敏義團隊長期致力於摩擦納米發電機在船舶與海洋工程領域的基礎與應用研究。

基於摩擦納米發電機設計了多種形式的能量收集裝置，實現了波浪能、振動能、噪聲能、風能和低品位水波能的高效收集，還研發了自驅動式波浪能傳感器、船舶水位傳感器和流量傳感器。

「未來，我們將繼續發掘流致振動與摩擦納米發電機的結合點，將不同形式的流致振動現象應用於能量採集和傳感。同時，在基於摩擦納米發電機的海洋能採集和自驅動式傳感器領域做更多的嘗試和探索。」徐敏義說。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105279

《中國科學報》 （2020-09-09 第3版 能源化工）

編輯 | 趙路

排版 | 志海

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