科学家用水气球成功收集波浪能

发布时间:2020-07-09来源:中国科学报

近日,《先进能源材料》刊发澳门新葡8455手机版海洋学院海洋电子与智能系统研究所纳米能源研究团队新成果,他们利用生活中常见的气球,制作出可用于收集波浪能的多倍频高性能摩擦纳米发电机。

近年来,波浪能的研究是海洋能源利用领域中最为重要的一项工作。而摩擦电纳米发电机(TENG)作为新一代的能源器件,能够有效地将低频和低振幅的机械能转化为电能,为从海浪能中获取能量提供了一种新途径。基于此,澳门新葡8455手机版海洋学院2019级博士研究生夏克泉将这一特殊结构与近年来专注的纳米能源研究结合起来,利用生活中习以为常的材料发电。

研究团队制备了一种基于水气球的多倍频高性能摩擦纳米发电机(WB-TENG)用于波浪能收集。WB-TENG由一个方形盒和一个水气球构成。方形盒内壁覆盖一层导电铜箔,其表面粘贴一层尼龙薄膜。将导线放到气球中,然后注入氯化钠水溶液,最后通过打结的方式进行密封。将制作好的水气球放到方形盒子中,WB-TENG发电器件就完成了。

根据摩擦起电原理,当气球和尼龙薄膜相互碰撞摩擦时,两种薄膜的表面会带上等量的异种电荷。当两种薄膜做接触—分离运动时,根据静电感应原理,气球中的氯化钠溶液和附着在尼龙薄膜上的导电铜箔就会感应出等量异种电荷,这时,在连接两个电极的电路中就会产生交变电流。

目前有多种用于收集水波能的摩擦纳米发电机结构,但其工作模式单一、能量转化效率低,限制了TENG的实际应用。而WB-TENG能够实现三种工作模式——完全接触—分离模式、局部接触—分离模式、往复接触—分离模式,可以收集任意方向的机械能,极大推动了TENG在海洋能收集方面的应用。

此外,由于水气球具有很好的弹性,当WB-TENG受到低频率的外力作用时,水气球会在盒子内部不断和内壁碰撞,进而产生多倍频的输出电流。根据实验测试,在相同条件下,WB-TENG在一个工作周期内的总转移电荷是传统的基于双板结构TENG的28倍,可以大大提升能量转化效率。

根据水气球的可拉伸性,在气球与尼龙薄膜的不断碰撞摩擦过程中,气球表面不断地积累电荷直到饱和,这会带来超高的输出性能。根据实验测试,在1.5赫兹的工作频率下,WB-TENG短路电流的瞬时峰值可以达到147微安,开路电压的瞬时峰值可以达到1221伏。同时,WB-TENG在外接负载为20兆欧时达到最大输出功率,其瞬时峰值为13.52毫瓦。


《中国科学报》2020年7月9日04版


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