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【Nano Energy】串列圓盤式納米發電機實現“藍色能源”器件性能新突破
發表日期: 2019-09-27 文章來源:
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  水是生命之源,是生物體最主要的成分之一。地球表面約70%的面積都被水覆蓋,水深刻影響著地球的天氣系統、地表形態等。水污染是當今人類面臨的最嚴重的環境問題之一。為了有效檢測、分析和控制水污染,需要開發能夠原位實時工作的水質檢測系統。其中,提供低成本和可持續的電力供應是一個亟待解決的關鍵問題。太陽能電池是目前的主要解決方案之一,但是其性能受天氣、晝夜交替等因素強烈影響。王中林院士于2012年提出的摩擦納米發電機(Triboelectric nanogenerator, TENG)為解決這個問題提供了新的思路。摩擦納米發電機具有重量輕、材料選擇豐富、結構靈活、易于制造、成本低等優點。它可以有效收集低頻的機械能,因此可以用于收集水體本身蘊含的豐富機械能—波浪能,并進行供電。采用TENG及其網絡收集波浪能的概念最早由王中林院士于2014年提出,通過TENG將不規則的低頻波浪運動轉化為電能,并基于大規模的TENG網絡收集大面積海域的波浪能量,將可能成為一種非常有前景的波浪能量收集技術方案,可以為包括水質監測系統在內的各種海洋設備提供電能供給,并且有可能實現一種清潔可再生的優質能源。 

  近日,在中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士的指導下,博士生白鈺、許亮副研究員、賀川副教授等人提出了一種可擴展的串列圓盤式摩擦納米發電機(Tandem disk triboelectric nanogenerator, TD-TENG),實現了高性能的波浪能收集,并應用于自驅動水質監測。一般而言,旋轉圓盤柵格結構是一種高性能的TENG結構設計,可以將低頻的機械驅動轉化為高頻的電能輸出,但此結構由于盤間較大的摩擦力而難以應用于低頻波浪能收集等場合。在此項工作中,研究團隊采用了一種易于實現的表面結構,在保證摩擦起電性能的同時有效降低了摩擦阻力,使得器件能夠很好響應低頻的波浪驅動,并極大提升了器件的耐久性。采用串列結構設計可在單個器件中集成多個圓盤柵格單元,通過擺式結構可有效吸收波浪的低頻機械能,并輸出高頻的電能,實現了“藍色能源”器件性能的新突破。0.58 Hz的低頻波浪驅動下,最大峰值功率和平均功率分別達到了45.0 mW7.5 mW,大約是典型球殼結構器件的35倍和24倍,TENG核心結構的最大平均功率密度也達到了7.3 W m-3。此外,基于器件的高頻輸出,通過簡單的電源管理電路,可將短路電流提升到11 mA,相比已報道的數十或者數百微安級別的電流有了很大的提升。該研究還展示了基于該器件構建的自驅動水中溶解固體總量(Total dissolved solids, TDS)測試系統,單個TENG器件即可驅動能耗較大的TDS傳感器。該自驅動水質監測系統可進一步擴展成網絡,用于大面積海域的實時原位水質分布及演化的監控。該工作展示了通過收集周圍水體能量實現各種自驅動免維護的海洋傳感平臺的廣闊前景,為智慧海洋、環境保護等領域提供了一種基礎支撐技術。相關成果以“High-performance triboelectric nanogenerators for self-powered, in-situ and real-time water quality mapping為題發表在Nano Energy(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519308249)     

1 a) 自驅動水質監測系統示意圖。b) 器件結構示意圖。c) 器件在低頻水波(0.58 Hz非沖擊水波)驅動下的峰值功率和平均功率。d) 變壓前后的電壓和電流對比。e) 器件在低頻水波驅動下為大電容充電的性能。f) 單個器件點亮600LED燈。g) 器件陣列示意圖。h) 自驅動水質傳感陣列示意圖。

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