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中科院北京纳米所开发微型风力涡轮机,从微风中收集风能

2020-10-01 13:13
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一直以来,能源危机是世界关注的焦点,而发展可再生、环保的新能源是人类社会发展最紧迫的挑战之一。
近年来,利用光、振动、热、无线电波等形式的环境能源吸引了更多研究人员的注意,并且已经开发了几种利用不同类型能源来发电的方法。
相对而言,风力发电是目前可用的最具成本效益、价格最低的能源之一。
通常情况下,风力涡轮机是将风能转化为电能的装置,用于收集风能,并广泛应用于我们的日常生活中。然而,高成本的基础上,产生的噪音,和审美污染仍然是问题。而且陆地上现有的大部分风力都过于柔和,无法推动商用风力涡轮机的叶片。
但现在,来自中科院北京纳米能源与系统研究所的研究人员设计了一种“微型风力涡轮机”,可以从与步行产生的风力差不多的微风中收集风能。

这种以低成本、高效收集微风的方法于9月23日发表在《细胞报告物理科学》(Cell Reports Physical Science)杂志上。
风中摩擦发电
从技术上讲,这个新装置并不是涡轮机,而是一种纳米发电机,由管内的两条塑料条组成。当有气流时,这些塑料条会颤动或拍击在一起。
就像在头发上摩擦气球一样,这两种塑料在分离接触后会带电,这种现象被称为摩擦电效应,之后这两条塑料条产生的电能会被捕获并储存起来。

结果显示,每秒1.6米的微风就足以驱动这款摩擦电纳米发电机。当风速在4 - 8米/秒(8.9 - 17.9英里/小时)之间时,纳米发电机的性能最佳,这一速度使得两条塑料带能够同步摆动。
而且,该装置的风能转换效率高达3.23%,这一数值超过了之前报道的风能回收性能。目前,该研究小组的设备可以为100个LED灯和温度传感器供电。
这种摩擦纳米发动机里的两种塑料条薄膜其实质是由有摩擦电的薄膜组成。而这种薄膜由带有Ag电极的铁电聚偏二氟乙烯(PVDF)膜和涂有氟化聚乙烯丙烯(PEP)的PVDF膜组成。
它们主要利用伯努利效应进行相互作用,而所谓的伯努利效应是指当通过流体的水平流动速度增加时,压力就会减小。在这个风收集系统中,当气流稳定时,两膜由于伯努利效应会表现出快速周期性的接触和分离的动态特征。

为了使纳米发电机获得良好的电能输出,研究人员还研究了由FEP膜和PVDF膜组成的摩擦电层,他们采用静电键合方法将FEP层和PVD层进行了层合。
首先,将FEP膜暴露于15 kV尖端电压的电晕中5分钟;此后,将PVDF膜附着到FEP膜的带电表面并通过静电作用吸收;最后,将与第一次电晕相同参数的第二次电晕施加到键合的FEP-PVDF系统上。通过测量表面点位,结果发现层压薄膜具有较好的电荷储存稳定性。
简言之,摩擦纳米发动机原理是当两个薄膜因为伯努利效应互相接触时会摩擦生电,同时由于薄膜存储电荷的特性,可以将电能存储,由此来供电。
让更小型的风力发电机成为可能
论文通讯作者之一、中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员、微纳能源与传感实验室负责人杨亚表示,“你可以收集日常生活中的所有微风,有一次,我们把纳米发电机放在一个人的手臂上,摆动的手臂产生的气流就足以产生电力。”

杨亚补充道,“我们的目的不是要取代现有的风力发电技术,而是解决传统风力涡轮机无法解决的问题。风力涡轮机使用线圈和磁铁,成本是固定的,而我们可以为我们的设备挑选低成本的材料。我们的设备也可以安全地应用于自然保护区或城市,因为它没有旋转结构。”
研究人员表示,他们对这个项目的下一步计划有两种设想,一种是小的,一种是大的。
之前,杨亚和他的同事曾设计了一个硬币大小的纳米发电机,但他想让它更小,更紧凑,效率更高。在未来,杨亚和他的同事们还希望将该设备与像手机这样的小型电子设备结合起来,以提供可持续的电力。
但杨亚也在寻求让设备更大、更强大。
“我希望将该设备的生产规模扩大到1000瓦,这样它就能与传统的风力涡轮机竞争。我们可以把这些设备放在传统风力涡轮机无法到达的地方。我们可以把它放在山上或建筑物的顶部,以获得可持续能源。”?

杨亚简介
杨亚,中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员,博士生导师,微纳能源与传感实验室负责人。
在微纳能源与传感研究方面,取得了具有国际重要影响力的原创性和开创性研究成果。以构建高性能多效应耦合纳米发电机和高精度自供电传感器阵列为目标,从铁电材料的设计和可控制备出发,探索力-热-光耦合效应对纳米发电机的调制机理,在新型复合与耦合纳米发电机的设计和集成、基于复合与耦合纳米发电机的自驱动多功能传感器、柔性大规模传感阵列系统等领域取得了重要进展。
在国际SCI杂志Science Advances(Science子刊)、Energy & Environmental Science、Advanced Materials和Advanced Energy Materials等发表学术论文170余篇。研究结果被各类著名国际学术期刊或媒体如Nature Photonics、ScienceDaily、Phys.org、Nanotechweb.org等作为亮点报道。论文被引用总数10000余次,H指数为60 (Researcher ID的数据)。已授权美国专利1项,申请和授权的中国专利40余项。
北京纳米能源与系统研究所
中国科学院北京纳米能源与系统研究所是中科院和北京市共建的新型科研单元。2012年2月,中国科学院北京纳米能源与系统研究所正式开始筹建。2018年5月17日,北京市与中国科学院正式签订共建纳米能源所协议书,同年11月被纳入北京市支持建设世界一流新型研发机构建设名单。纳米能源所将于2019年整建制搬迁至怀柔科学城,研究所将是科学城建设以来首个整建制迁入的研究机构。
纳米能源所在本领域处于国际研究领头羊地位,目前全世界40多个国家和地区、430多个研究单元、近4000多人在做相关研究。研究所发起了两个国际性的品牌会议已经成为,即“纳米能源与纳米系统国际会议”(NENS)和“纳米发电机与压电电子学国际会议”(NGPT),第四届NENS2019在2019年6月在北京召开,NGPT2020于2020年在英国剑桥大学召开。

排版:赵辰霞编审:王新凯
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