摩擦纳米发电机--利用摩擦给手机充电?

2017-03-19 20:52:00 来源:中国科普博览

 有没有想过拥有一台永远不用充电的手机?有没有想过在医疗领域,植入人体的很多元件永不断电?有没有想过在你的生活中,通过说话就能点亮一束花朵?我们从很小的时候就知道用尺子在头皮上摩擦后可以吸起碎纸屑。老师和家长告诉我们这种现象叫“摩擦起电”。不知当时人们是否想过,在若干年后的今天,这样小小的摩擦也可以聚集起来形成供我们使用的“能源”。

  

  摩擦起电(图片来源于网络)

  而这有赖于科学家发明的摩擦纳米发点机Triboelectric Nano Generator(TENG)。摩擦纳米发电机可以收集材料接触、摩擦所产生的电能,供我们所利用。一个人走路2个小时能产生67W的能量,这等于0.3度电,相当于可以为大约30部智能手机充满电的电量。可以维持一台普通的笔记本电脑连续工作20小时。

  中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长王中林介绍说:“由于摩擦这一现象很普遍,在我们的生活中无处不有,甚至走路、衣服翻动都会有,因此我们发明了四种模式,可以把这种接触、滑动等四种不同的状态转化成电能,这就是摩擦纳米发电技术,这种技术和传统的技术还有优势互补的效果。”

  使用轮机进行能量转化的传统发电技术(火电、水电、风电),再发电过程中会因为摩擦而损失相当一部分能量。致使能量转化效率偏低。而摩擦纳米发电机技术恰好可以将一部分摩擦能转化为电能,与传统发电技术相互补充,可以实现20%-40%的效率提升。

  

  (图片来源于网络)

  纳米能源:偶然发现的大成果

  纳米能源是一次偶然的发现才有了现在的成果。王中林院士讲述了这样一个小故事:团队从2006年开始微纳能源技术研究,当时曾想把心跳、手动等都转化成电能,并且想要通过压电效应来达到这个目的。2008年做实验的时候,他们偶然得到了比想象中高得多的电能输出,当时认为是人为效应或者是实验差错,因而就没有注意。直到2011年,他们在实验中再次发现这个现象,接下来通过进行仔细研究、分析这些样品,经过几个月的分析发现,这些电能是由常见的摩擦效应产生的。

  自从那时起,王中林团队就一直进行研究,到目前为止,三年间,他们发表了一百多篇文章,奠定了这方面的基本模式、基本理论、基本实验方法以及一些应用。王中林院士说道:“我们也没有想到,偶然发现的这个技术变得如此重要,引发了全世界研究的浪潮,至少有30多个组织在做这方面的研究。从大陆到台湾,从国内到韩国,从欧洲到美国,很多人都在开展这项工作。从我们第一个开始研究,到现在普遍被探索,这是个好现象,它必然是能给人类能源带来一线希望的。”

  摩擦纳米发电机:门槛低,应用广

  很多人一定想问了,这个摩擦纳米发电机一定很贵吧?能不能大规模普及呢?事实上,摩擦纳米发电并没有你们想象中的那么“高大上”,摩擦纳米发电机成本上没有多大门槛,因为它的材料具有普适性,技术也相对成熟,所以只要在这个基础上加入纳米材料,提高它的耐磨性、耐久性,它就能够实现大范围应用。

  摩擦纳米发电技术的应用领域也十分广泛,从小能源到传感技术再到大能源,覆盖面非常广。

  例如:我们想快速测量体温,(如果是现在的话)你必须有个电池才能驱动电子体温计。(而使用摩擦纳米发电技术)我们把一个材料戴在手上,把衣服摇晃两下,就可以实现测量体温,这就是穿戴式健康监护,这种未来将是个大市场。所以这样的应用领域,我们称之为微纳能源。

  

  (图片来源于网络)

  又如:北京西单商业区的人流进进出出,利用人走路踩过地面这个动作产生的电,每天就相当于约2.5吨煤燃烧产生的电。这个能源在过去是我们没有注意到的,但是这在我们现实生活中随处可见。

  摩擦纳米发电普及后的生活是啥样的?

  让我们大胆设想一下在未来摩擦纳米发电普及之后我们的生活会是什么样子呢?

  每天早上7点,小李起床后的第一件事就是往智能水杯中倒水、喝水,在手接触水杯的瞬间,产生的摩擦就能让智能水杯开始运转,水杯将饮水数据传送到手机APP中,记录饮水时间和饮水的量,到了喝水的时间点,APP就会自动提醒小李喝水及饮水量,一天均衡喝水so easy。

  7点半,小李准时出门,出门前,他会特意佩戴一件神器:智能手表。这块手表还是一名健康卫士,通过佩戴不仅可以记录每天行走的距离,监测人体心率、血液流动速度等,还能通过数据分析,得出人体健康指标。这些数据和指标都可以传输到手机上,小李很轻松就能了解自己的身体情况。

  小李走入办公室大门就自动打卡成功。

  很快小李就投入到紧张的工作中去,十点多左右,手机“滴”了下,小李拿起一看,上面显示休息提示:“您已经就坐2小时了,快起来活动一下。”

  午休结束后,小李到客户的公司去开会。在地铁上,小李发现手机电量不足,他从容地将手机放入衣服上的特殊口袋中。当他们到达客户的公司后,手机已经充好了电。

  回到家,小李才发现装有重要合同的公文包竟然落在了客户公司,小李心想:“好在是TENG防盗公文包,可以保证资料的安全。”小李给客户打电话说明了情况,约好第二天去取。

  终于回到家,小李拿出冰箱里的食材,准备给自己好好做一顿饭。可是,谁承想做着做着,厨房的灯突然灭了,小李探头一看,小区漆黑一片,原来是小区的供电线路被台风挂断了。这时,小李淡定地启动了安装在房子外墙上的TENG临时供电系统,家里的灯又亮了。小李继续烹调美味,享受难得的休息时光。

  海浪能:有待开发的摩擦能源

  

  (图片来源于网络)

  在自然界中还蕴藏着巨量的摩擦能源有待开发,这其中最典型的就是海浪能。研究表明每平公里的海面上蕴藏着约20万kW的能量。假设其中有10%的能量可以通过摩擦纳米发电机转化成电能,1平方公里的电能就可以点亮40万只灯泡。那么,只需要在80平方公里的海域上建设纳米摩擦发电机厂,其产生的电能就可以覆盖整个上海市的用电需求!到那个时候,也就真正迎来了我们预想的蓝色大能源时代!

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