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華全動力：摩擦也能帶來“正能量”

作者：admin 點(diǎn)擊：發(fā)布時間：2016-02-21 08:23:20

摩擦生電，是個盡人皆知的事情，初中物理電學(xué)部分的第一課就是摩擦起電，而干燥環(huán)境下由于摩擦而造成的靜電常常讓人頭疼不已。既然生活中摩擦無處不在，如何讓這個令人厭煩的問題變成人見人愛的“正能量”呢？不久前召開的第538次香山科學(xué)會議給出了答案。
據(jù)悉，本次香山科學(xué)會議以“納米能源與壓電（光）電子學(xué)發(fā)展前沿”為主題，記者了解到，基于納米能源與壓電電子學(xué)理論而研發(fā)出來的摩擦納米發(fā)電機(jī)，讓摩擦發(fā)電不再是幻想。作為一家力主創(chuàng)新的高科技民營企業(yè)，多年來，山東華全動力股份有限公司緊盯科技前沿，跟緊國際潮流，大力實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動戰(zhàn)略，所產(chǎn)華全系列發(fā)電機(jī)組不僅暢銷全國各地，還出口全球30 多個國家和地區(qū)，公司業(yè)務(wù)已遍及世界五大洲，已成為具有一定國際影響力的，有著良好聲譽(yù)和口碑的知名小型發(fā)電設(shè)備供應(yīng)商。

世上最小的發(fā)電機(jī)
這種摩擦納米發(fā)電機(jī)，其機(jī)械能轉(zhuǎn)化效率是50%—80%，可以為微小電子器件、納米機(jī)器人提供電力，使之真正實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動。
納米能源是指基于納米技術(shù)和納米材料的能源轉(zhuǎn)換與能源存儲技術(shù)。其實(shí)早在2007年4月出版的美國《科學(xué)》（Science）雜志上，就介紹了本次會議的執(zhí)行主席、中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林研究員研制的由超聲波驅(qū)動的直流納米發(fā)電機(jī)。而更早的2006年4月，一向?qū)π路椒ā⑿吕碚撌譄嶂缘摹犊茖W(xué)》雜志，也曾報道過王中林領(lǐng)導(dǎo)的小組首次在納米（十億分之一米）尺度范圍內(nèi)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的研究成果。
王中林當(dāng)時研制的這個世界上最小的發(fā)電機(jī)，巧妙地利用了納米線的半導(dǎo)體性能和壓電效應(yīng): 通過外界環(huán)境震動，無論是超聲波，還是人的行走、潮汐的運(yùn)動，甚至心臟跳動（如果被植入人體內(nèi)部的話），使得納米線因機(jī)械運(yùn)動所產(chǎn)生的動能傳導(dǎo)，而產(chǎn)生微小的共振、擺動、變形，從而在表面積累起電荷，再由納米線所附著的電極板輸出電流。
據(jù)測算，當(dāng)時這種納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率可以達(dá)到17%—30%。要知道，現(xiàn)在最好的太陽能電池的實(shí)際發(fā)電效率也僅在20%上下。
不過這樣的發(fā)電效率依然不能令人滿意。2011年，一個偶然的機(jī)會，王中林團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)表面上修飾著納米結(jié)構(gòu)的塑料薄膜，互相摩擦產(chǎn)生的靜電電壓電流是過去用壓電產(chǎn)生的幾十倍，這個發(fā)現(xiàn)讓他們興奮異常。之后經(jīng)過一年多的研究，使得輸出功率提高了五個數(shù)量級。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這種摩擦納米發(fā)電機(jī)，其機(jī)械能轉(zhuǎn)化效率是50%—80%，真是驚人啊！
由于摩擦這一現(xiàn)象很普遍，在生活中無處不在，由此團(tuán)隊(duì)發(fā)明了四種模式，可以把接觸、滑動等四種不同的狀態(tài)轉(zhuǎn)化成電能。這種摩擦納米發(fā)電機(jī)由特殊設(shè)計具有納米結(jié)構(gòu)的高分子材料及其復(fù)合材料組成，輔以極少量的金屬電極材料，造價低廉，成品輕盈，耐腐蝕，它可以為微小電子器件、納米機(jī)器人提供電力，使之真正實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動。
換個思路變身傳感器
觸發(fā)摩擦納米發(fā)電機(jī)，它就能發(fā)出信號，那反過來，如果監(jiān)測信號，就知道它觸發(fā)的情況
近年來，尺寸微小、功耗低、反應(yīng)靈敏的納米器件和納米機(jī)器人，一直是納米學(xué)術(shù)界的前沿，因?yàn)樗梢酝瓿晌⒂^醫(yī)療以及遙感等普通人力難以企及的使命。但對于全球眾多的研究者而言，最大的問題是：不管納米器械做到多小，仍然不得不依賴龐大的外接電源。更不用說由于常規(guī)電池多含有毒性物質(zhì)，使得一些醫(yī)用納米微型設(shè)備無法植入人體。
如果不能同步實(shí)現(xiàn)器件和電源的小型化，讓納米器械進(jìn)入微觀世界，也許只能是紙上談兵。現(xiàn)在，隨著納米發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)，這一前景重新變得光明起來。哈佛大學(xué)化學(xué)系教授查爾斯•萊博認(rèn)為，這一發(fā)明為如何給納米器件提供電力這一關(guān)鍵問題“提出了解決方案”。
除了完全無線、可生物植入、長時期甚至終生無需照管的納米或微電子器件之外，將來每個人的衣服上、鞋子里等，都可以放置這樣的電源，為身上攜帶的便攜電子設(shè)備（包括MP3、手機(jī)等）提供能量。這樣智能穿戴設(shè)備才可能越來越流行。
納米能源另一個應(yīng)用是自驅(qū)動的傳感系統(tǒng)，它解決了制約物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的微電源問題，從而實(shí)現(xiàn)無線傳感器在無人看護(hù)下，穩(wěn)定、可靠、長時間低成本運(yùn)行。而按另一種思路設(shè)計的傳感器，還可以為醫(yī)療和安全提供解決方案。
王中林介紹說，觸發(fā)摩擦納米發(fā)電機(jī)，它就能發(fā)出信號，如果發(fā)電機(jī)是把電流收集起來，那反過來，如果我監(jiān)測信號，就知道它觸發(fā)的情況。他利用這一原理設(shè)計了一個小型傳感器，貼在胸部、喉嚨上，可以測量我們血壓和血液在身體的流動狀態(tài)。
這一思路還可以應(yīng)用到安保方面。把這種傳感器安裝在門把手上，如果有人按上去就會產(chǎn)生信號從而實(shí)現(xiàn)立即報警。同樣的原理還可以安裝到地面上、屋子里，當(dāng)無人進(jìn)入時不會開啟，但一旦有人踩上去，它就可以產(chǎn)生信號并啟動監(jiān)視狀態(tài)。這種應(yīng)用不僅節(jié)能而且節(jié)省數(shù)據(jù)。

納米能源的巨大能量
海水流動晝夜不停，為摩擦納米發(fā)電機(jī)提供了穩(wěn)定的工作環(huán)境，根據(jù)粗略測算，在200公里乘以200公里的海面，利用5米深的水就可以產(chǎn)生相當(dāng)于三峽的總電量
納米能源可以解決的可不僅僅是這些微小系統(tǒng)的問題，其產(chǎn)生的巨大能源可以誘發(fā)能源革命。
利用海水波浪產(chǎn)生的摩擦效用，研究者們設(shè)計研發(fā)了水能摩擦納米發(fā)電機(jī)，將其結(jié)成網(wǎng)狀放置到海洋中，會使海水無規(guī)則的運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)樵丛床粩嗟碾娔堋?jù)實(shí)驗(yàn)測算，每平方公里的海面將可以產(chǎn)生兆瓦級的電能輸出。
王中林團(tuán)隊(duì)利用固液界面的摩擦起電現(xiàn)象研制的“水能摩擦納米發(fā)電機(jī)”，可用于對河流、雨滴、海浪的動能收集。通過摩擦納米發(fā)電機(jī)四種基本模式的組合應(yīng)用，這種發(fā)電機(jī)可以高效地回收海洋中的動能資源，包括水的上下浮動、海浪、海流、海水的拍打。他說，“水能摩擦納米發(fā)電機(jī)”首次實(shí)現(xiàn)固液界面摩擦發(fā)電。以前，一般認(rèn)為只有在干燥條件下才能摩擦起電；該技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了對水滴和波浪動能的同時收集。
王中林院士說，我國海域遼闊，海水流動晝夜不停，這為摩擦納米發(fā)電機(jī)提供了穩(wěn)定的工作環(huán)境。依托海洋，這種“藍(lán)色能源”或?qū)⒊?ldquo;綠色能源”，具有廣闊市場前景。根據(jù)粗略測算，在200公里乘以200公里的海面，利用5米深的水就可以產(chǎn)生相當(dāng)于三峽的總電量。
同時，利用人流踩踏、汽車輪胎摩擦地面，也可發(fā)電。例如，北京西單商業(yè)區(qū)一天的人流踩踏產(chǎn)生的電，相當(dāng)于約2.5噸煤燃燒所發(fā)的電。同樣的，利用納米發(fā)電機(jī)也可以利用汽車車輪與地面的摩擦而在此前白白浪費(fèi)掉的能源回收利用。
據(jù)報道，美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校材料和工程學(xué)副教授王旭東（音譯）和他的博士生進(jìn)行了為期一年的研究。他們認(rèn)為，納米發(fā)電機(jī)可以從路面和車輛車輪之間電位差的變化來獲得電能。經(jīng)過研究確定，這種摩擦發(fā)電的效率與汽車的重量和速度有密切關(guān)系。根據(jù)車輛和其行駛狀態(tài)不同，發(fā)電量會有相應(yīng)變化，但總體估計，這種裝置大約能將車輛的燃油效率提高至少10%。
記者從此次香山會議上了解到，目前以我國科學(xué)家為主體的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對納米發(fā)電機(jī)及壓電(光)電子學(xué)的基礎(chǔ)理論、材料的可控制備及新型電子學(xué)器件設(shè)計積累了基礎(chǔ)，獲得了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新型研究成果，相關(guān)研究處于世界領(lǐng)先水平。去年9月，湯森路透集團(tuán)發(fā)布了2015年度論文引用桂冠獎獲獎名單，王中林位列其中。
我們期待著不久的將來我們可以受惠于這一研究引發(fā)的能源革命，使用上更干凈而持續(xù)的能源，同時也可以享受這一技術(shù)帶給我們的生活便利。

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