徐敏義團(tuán)隊研究出新型防潮的旗形摩擦納米發(fā)電機

來源：中國科學(xué)報

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，各種無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運而生。無線傳感網(wǎng)絡(luò)由區(qū)域內(nèi)數(shù)以萬計的傳感器節(jié)點組成，在電氣自動化、環(huán)境智能監(jiān)測、車輛定位等有著廣泛應(yīng)用。然而，難以持續(xù)供電，成為暴露在自然環(huán)境中的傳感器節(jié)點的重要問題之一。

摩擦納米發(fā)電機作為高效的能量收集和轉(zhuǎn)換新途徑，在風(fēng)能、水能、波浪能等各種機械能的收集轉(zhuǎn)換中得到了廣泛地拓展應(yīng)用。其自供電的特性更為自然環(huán)境中設(shè)備運行的持續(xù)供能提供了一種理想方案。

備注：摩擦起電是一種很普遍的、很古老的現(xiàn)象，無論是梳頭、穿衣還是走路、開車都能遇到。大概從古希臘時期開始，這個現(xiàn)象就幾乎是每個科研工作者，甚至是每個人都知道的物理現(xiàn)象。但是，人們常常認(rèn)為摩擦起電是一種負(fù)面效應(yīng)，在許多情況下人們都通過各種技術(shù)途徑來回避摩擦起電。2012年，美國佐治亞理工學(xué)院的王中林教授小組發(fā)明了基于摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)相結(jié)合的摩擦納米發(fā)電機（Triboelectric nanogenerator，TENG），能夠?qū)C械能轉(zhuǎn)化為電能。

近日，大連海事大學(xué)輪機工程學(xué)院教授徐敏義團(tuán)隊提出并系統(tǒng)性研究了一種新型防潮且自適應(yīng)風(fēng)向的旗形摩擦納米發(fā)電機。不僅可在潮濕環(huán)境下高效收集不同方向的風(fēng)能，還能測量風(fēng)速，實現(xiàn)風(fēng)速傳感，為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的供電問題提供了一種新穎的解決方案。相關(guān)研究成果發(fā)表于《納米能源》雜志。

旗形摩擦納米發(fā)電機

“傳感節(jié)點的自驅(qū)動是傳感器發(fā)展的重要方向之一。”論文通訊作者徐敏義告訴《中國科學(xué)報》，風(fēng)能作為一種在自然界中廣泛存在于的清潔能源，若對其進(jìn)行采集并驅(qū)動傳感節(jié)點工作，將是解決無線傳感網(wǎng)絡(luò)供電問題的一種理想方法。

論文第一作者、大連海事大學(xué)輪機工程學(xué)院博士生王巖介紹，過去研究報道了很多將有機介電薄膜置于框架結(jié)構(gòu)中的摩擦納米發(fā)電機，例如固定薄膜一端，在風(fēng)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(fā)生接觸的模式，這些方法都取得了很好的發(fā)電的效果。

“然而，由于結(jié)構(gòu)的限制，導(dǎo)致難以有效采集來自各個方向的風(fēng)能。同時摩擦層與空氣直接接觸，導(dǎo)致在濕度較大的條件下其發(fā)電性能會被嚴(yán)重削弱?！蓖鯉r告訴《中國科學(xué)報》。

針對上述問題，徐敏義團(tuán)隊受到風(fēng)吹旗子擺動這一常見現(xiàn)象的啟發(fā)，提出了一種旗子形態(tài)的“抗?jié)瘛蹦Σ良{米發(fā)電機（flag-type TENG），用以高效采集風(fēng)能。

徐敏義介紹，旗形摩擦納米發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)，是由兩片附著導(dǎo)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，同時采用雙面膠將兩個柔性電極與PTFE薄膜粘貼在一起對其進(jìn)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(dāng)風(fēng)吹動旗子擺動時，由于柔性電極與PTFE薄膜的變形幅度不同，PTFE薄膜會與柔性電極產(chǎn)生摩擦，根據(jù)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(cè)柔性電極產(chǎn)生周期性的接觸分離，在連接兩個電極的電路中就產(chǎn)生了交變電流，于是就實現(xiàn)了風(fēng)能向電能的轉(zhuǎn)化，就發(fā)出電了。”徐敏義解釋說。

原文標(biāo)題：科學(xué)家研發(fā)出新型防潮且自適應(yīng)風(fēng)向的旗形摩擦納米發(fā)電機

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