中科院北京納米所開發(fā)微型風(fēng)力渦輪機(jī)，從微風(fēng)中收集風(fēng)能

一直以來，能源危機(jī)是世界關(guān)注的焦點(diǎn)，而發(fā)展可再生、環(huán)保的新能源是人類社會(huì)發(fā)展最緊迫的挑戰(zhàn)之一。
近年來，利用光、振動(dòng)、熱、無線電波等形式的環(huán)境能源吸引了更多研究人員的注意，并且已經(jīng)開發(fā)了幾種利用不同類型能源來發(fā)電的方法。
相對(duì)而言，風(fēng)力發(fā)電是目前可用的最具成本效益、價(jià)格最低的能源之一。
通常情況下，風(fēng)力渦輪機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，用于收集風(fēng)能，并廣泛應(yīng)用于我們的日常生活中。然而，高成本的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生的噪音，和審美污染仍然是問題。而且陸地上現(xiàn)有的大部分風(fēng)力都過于柔和，無法推動(dòng)商用風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片。
但現(xiàn)在，來自中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的研究人員設(shè)計(jì)了一種“微型風(fēng)力渦輪機(jī)”，可以從與步行產(chǎn)生的風(fēng)力差不多的微風(fēng)中收集風(fēng)能。

這種以低成本、高效收集微風(fēng)的方法于9月23日發(fā)表在《細(xì)胞報(bào)告物理科學(xué)》（Cell Reports Physical Science）雜志上。
風(fēng)中摩擦發(fā)電
從技術(shù)上講，這個(gè)新裝置并不是渦輪機(jī)，而是一種納米發(fā)電機(jī)，由管內(nèi)的兩條塑料條組成。當(dāng)有氣流時(shí)，這些塑料條會(huì)顫動(dòng)或拍擊在一起。
就像在頭發(fā)上摩擦氣球一樣，這兩種塑料在分離接觸后會(huì)帶電，這種現(xiàn)象被稱為摩擦電效應(yīng)，之后這兩條塑料條產(chǎn)生的電能會(huì)被捕獲并儲(chǔ)存起來。

結(jié)果顯示，每秒1．6米的微風(fēng)就足以驅(qū)動(dòng)這款摩擦電納米發(fā)電機(jī)。當(dāng)風(fēng)速在4 － 8米／秒（8．9 － 17．9英里／小時(shí)）之間時(shí)，納米發(fā)電機(jī)的性能最佳，這一速度使得兩條塑料帶能夠同步擺動(dòng)。
而且，該裝置的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率高達(dá)3．23％，這一數(shù)值超過了之前報(bào)道的風(fēng)能回收性能。目前，該研究小組的設(shè)備可以為100個(gè)LED燈和溫度傳感器供電。
這種摩擦納米發(fā)動(dòng)機(jī)里的兩種塑料條薄膜其實(shí)質(zhì)是由有摩擦電的薄膜組成。而這種薄膜由帶有Ag電極的鐵電聚偏二氟乙烯（PVDF）膜和涂有氟化聚乙烯丙烯（PEP）的PVDF膜組成。
它們主要利用伯努利效應(yīng)進(jìn)行相互作用，而所謂的伯努利效應(yīng)是指當(dāng)通過流體的水平流動(dòng)速度增加時(shí)，壓力就會(huì)減小。在這個(gè)風(fēng)收集系統(tǒng)中，當(dāng)氣流穩(wěn)定時(shí)，兩膜由于伯努利效應(yīng)會(huì)表現(xiàn)出快速周期性的接觸和分離的動(dòng)態(tài)特征。

為了使納米發(fā)電機(jī)獲得良好的電能輸出，研究人員還研究了由FEP膜和PVDF膜組成的摩擦電層，他們采用靜電鍵合方法將FEP層和PVD層進(jìn)行了層合。
首先，將FEP膜暴露于15 kV尖端電壓的電暈中5分鐘；此后，將PVDF膜附著到FEP膜的帶電表面并通過靜電作用吸收；最后，將與第一次電暈相同參數(shù)的第二次電暈施加到鍵合的FEP－PVDF系統(tǒng)上。通過測(cè)量表面點(diǎn)位，結(jié)果發(fā)現(xiàn)層壓薄膜具有較好的電荷儲(chǔ)存穩(wěn)定性。
簡(jiǎn)言之，摩擦納米發(fā)動(dòng)機(jī)原理是當(dāng)兩個(gè)薄膜因?yàn)椴?yīng)互相接觸時(shí)會(huì)摩擦生電，同時(shí)由于薄膜存儲(chǔ)電荷的特性，可以將電能存儲(chǔ)，由此來供電。
讓更小型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)成為可能
論文通訊作者之一、中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所研究員、微納能源與傳感實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人楊亞表示，“你可以收集日常生活中的所有微風(fēng)，有一次，我們把納米發(fā)電機(jī)放在一個(gè)人的手臂上，擺動(dòng)的手臂產(chǎn)生的氣流就足以產(chǎn)生電力?！?/p>

楊亞補(bǔ)充道，“我們的目的不是要取代現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，而是解決傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)無法解決的問題。風(fēng)力渦輪機(jī)使用線圈和磁鐵，成本是固定的，而我們可以為我們的設(shè)備挑選低成本的材料。我們的設(shè)備也可以安全地應(yīng)用于自然保護(hù)區(qū)或城市，因?yàn)樗鼪]有旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。”
研究人員表示，他們對(duì)這個(gè)項(xiàng)目的下一步計(jì)劃有兩種設(shè)想，一種是小的，一種是大的。
之前，楊亞和他的同事曾設(shè)計(jì)了一個(gè)硬幣大小的納米發(fā)電機(jī)，但他想讓它更小，更緊湊，效率更高。在未來，楊亞和他的同事們還希望將該設(shè)備與像手機(jī)這樣的小型電子設(shè)備結(jié)合起來，以提供可持續(xù)的電力。
但楊亞也在尋求讓設(shè)備更大、更強(qiáng)大。
“我希望將該設(shè)備的生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大到1000瓦，這樣它就能與傳統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機(jī)競(jìng)爭(zhēng)。我們可以把這些設(shè)備放在傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)無法到達(dá)的地方。我們可以把它放在山上或建筑物的頂部，以獲得可持續(xù)能源?！?

楊亞簡(jiǎn)介
楊亞，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所研究員，博士生導(dǎo)師，微納能源與傳感實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人。
在微納能源與傳感研究方面，取得了具有國(guó)際重要影響力的原創(chuàng)性和開創(chuàng)性研究成果。以構(gòu)建高性能多效應(yīng)耦合納米發(fā)電機(jī)和高精度自供電傳感器陣列為目標(biāo)，從鐵電材料的設(shè)計(jì)和可控制備出發(fā)，探索力－熱－光耦合效應(yīng)對(duì)納米發(fā)電機(jī)的調(diào)制機(jī)理，在新型復(fù)合與耦合納米發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和集成、基于復(fù)合與耦合納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)多功能傳感器、柔性大規(guī)模傳感陣列系統(tǒng)等領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。
在國(guó)際SCI雜志Science Advances（Science子刊）、Energy ＆ Environmental Science、Advanced Materials和Advanced Energy Materials等發(fā)表學(xué)術(shù)論文170余篇。研究結(jié)果被各類著名國(guó)際學(xué)術(shù)期刊或媒體如Nature Photonics、ScienceDaily、Phys．org、Nanotechweb．org等作為亮點(diǎn)報(bào)道。論文被引用總數(shù)10000余次，H指數(shù)為60 （Researcher ID的數(shù)據(jù)）。已授權(quán)美國(guó)專利1項(xiàng)，申請(qǐng)和授權(quán)的中國(guó)專利40余項(xiàng)。
北京納米能源與系統(tǒng)研究所
中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所是中科院和北京市共建的新型科研單元。2012年2月，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所正式開始籌建。2018年5月17日，北京市與中國(guó)科學(xué)院正式簽訂共建納米能源所協(xié)議書，同年11月被納入北京市支持建設(shè)世界一流新型研發(fā)機(jī)構(gòu)建設(shè)名單。納米能源所將于2019年整建制搬遷至懷柔科學(xué)城，研究所將是科學(xué)城建設(shè)以來首個(gè)整建制遷入的研究機(jī)構(gòu)。
納米能源所在本領(lǐng)域處于國(guó)際研究領(lǐng)頭羊地位，目前全世界40多個(gè)國(guó)家和地區(qū)、430多個(gè)研究單元、近4000多人在做相關(guān)研究。研究所發(fā)起了兩個(gè)國(guó)際性的品牌會(huì)議已經(jīng)成為，即“納米能源與納米系統(tǒng)國(guó)際會(huì)議”（NENS）和“納米發(fā)電機(jī)與壓電電子學(xué)國(guó)際會(huì)議”（NGPT），第四屆NENS2019在2019年6月在北京召開，NGPT2020于2020年在英國(guó)劍橋大學(xué)召開。

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