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最近，中国科学院北京纳米能源与系统研究所成功研制出水能摩擦纳米发电机。如果将这些摩擦纳米发电机结网放置到海洋中，每平方公里的海面可以产生兆瓦级的电能，这预示海洋发电或将超越水力发电成为新的重要的“绿色能源”。 据统计，全球海洋中的波浪能达700亿千瓦，占全部海洋能量的94%，而我国领海和管辖海域蕴藏的波浪能总量约为5亿千瓦，可开发利用的约1亿千瓦。 长期以来，海洋波浪能的开发一直成本高、规模小、经济效益差，而陆地近海的短周期、小波高、低能流密度的波浪资源特征也加大了传统海浪发电机实用化的难度。 2006年，中国科学院外籍院士王中林领导的团队首次提出了纳米发电机的理念，开辟了能源转化和应用的新领域。在此基础上，2012年1月成功研发首台摩擦纳米发电机。此后，王中林团队利用海水上下浮动、海浪拍打的冲击过程、固液面摩擦及海浪拍打、定向流动的水流，接连研制出四种水能摩擦纳米发电机。 海水浮动水能摩擦纳米发电机主要结构为创新设计的水波非对称屏蔽疏水性氟化乙烯丙烯薄膜（FEP）。该电机将摩擦材料、金属电极和基底全部集成在一个柔性的平面衬底上，其背面沉积有条状电极，水波与FEP的接触使薄膜表面会带上均匀的摩擦负电荷。这大大简化了发电机的结构和集成工艺，其峰值输出功率可达0.12毫瓦/平方米。 海浪冲击水能摩擦纳米发电机结构主要为创新设计的波浪电极。该波浪电极在海浪冲击下产生弯曲形变、随后收缩恢复原状，反复之中促成了平面电极与波浪型电极之间自由电荷的转移，并形成电流。在浪高为0.2米、浪速为1.2米/秒的海况下，单个器件的输出电压可达30伏，输出电流可达6微安。 固液和海浪双模水能摩擦纳米发电机主要由两部分组成，分别是使用超疏水纳米化二氧化钛层、聚四氟乙烯薄膜和底电极的收集固液界面摩擦能的发电机，和使用聚四氟乙烯薄膜、二氧化硅纳米颗粒层以及平面电极的收集波浪冲击动能的发电机。在40毫升/秒的流速下，该双模发电机的两个短路电流可分别达到43微安、18微安，峰值输出能量密度分别为1.31瓦/平方米、0.38瓦/平方米。 定向水流水能摩擦纳米发电机由前后两个同轴转动的滚轮式发电单元构成。其中，后面的滚轮通过叶片上沉积的金属电极和超疏水的聚四氟乙烯薄膜实现对水流静电摩擦能的收集；前面的滚轮由定子和转子构成，水流的冲击使转子和定子之间不断发生滑动摩擦，从而产生交流电流。在水流为54毫升/秒情况下，两个发电单元可分别输出72伏和102伏的开路电压、12.9微安和3.8微安的短路电流以及0.59瓦/平方米和0.03瓦/平方米的瞬时最大功率密度。 据介绍，王中林团队研发的水能摩擦纳米发电机在多项技术上实现了突破： 首次实现了固液界面摩擦发电。该团队将镀有金属电极的高分子聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜作为接触面，与上下浮动的水面之间不断发生接触和分离，同时通过聚二甲基硅氧烷背面的金属极板和水中的金属极板向外电路输出电流。实验结果表明，发电机输出电压可达到52伏，输出电流密度为2.54毫安/平方米，峰值功率密度为0.13瓦/平方米。 实现了水滴和波浪动能的同时收集。使用背面镀有金属电极的超疏水聚四氟乙烯（PTFE）薄膜作为摩擦表面，构建单电极结构的水能摩擦纳米发电机，同时收集水滴和波浪动能，利用水滴与环境或摩擦表面的接触摩擦中带上的摩擦电荷，通过静电感应效应驱动自由电子在等电位和单电极之间来回转移，从而形成交流电流。实验表明，在30微升水滴的作用下，该水能摩擦纳米发电机可输出电压9.3伏，输出电流17微安，峰值功率为145微瓦/平方米。 纳米摩擦发电机的基本元件都是仅有微米级厚度的薄膜材料，相对于传统电磁感应发电机，具有结构简单、轻巧、体积小、集成度高、寿命长、材料和制造成本低廉、利于大规模工业生产等优势。该发电机不仅可以利用海浪等实现大规模发电，还可以被集成在救生衣和水上导航设备上，提高遇险人员的存活几率和搜救效率。 目前，水能摩擦纳米发电机的输出功率最高可达500瓦/平方米，输出电流可达3毫安，最高平均稳定输出功率可达1.5瓦。 |
我国研制出水能摩擦纳米发电机
2014-8-21 11:22:48 来源：中国船舶与海洋工程网信息中心
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