摩擦發(fā)電機(jī)：收集自然界中的機(jī)械能

風(fēng)力摩擦發(fā)電裝置

陣列式摩擦發(fā)電機(jī)

摩擦起電效應(yīng)，是自然界中最常見的現(xiàn)象之一，它是由兩種不同材料經(jīng)過相互摩擦而使其接觸表面帶電的現(xiàn)象。相互接觸的兩塊薄片，本來二者表面都不帶電，但是在接觸之后，由于材料不同，其性能也不同，一個容易失電子，一個容易得電子，由此就導(dǎo)致兩種材料經(jīng)過接觸后一方帶正電，一方帶負(fù)電。這就是我們一般所認(rèn)識的摩擦起電現(xiàn)象。這種現(xiàn)象雖然普遍，但是除了在電學(xué)實驗中被用于形成高壓電場之外，一直無法被有效利用來作為功率源。

3月下旬，關(guān)于“摩擦發(fā)電機(jī)”的報道引發(fā)廣泛關(guān)注。消息選自2012年1月以來，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所首席科學(xué)家王中林科研團(tuán)隊設(shè)計出一系列摩擦發(fā)電機(jī)。

在兩個薄片通過接觸摩擦表面帶電之后，再將這兩個薄片表面分離，由于物體有保持電中性的傾向，因此通過電極層將這兩個薄片與外電路連接，電子就會通過外電路在兩個電極層之間流動，從而形成電流——依據(jù)這一原理，發(fā)電機(jī)可以將自然界中的微風(fēng)、水流，甚至人體運(yùn)動的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。這種新型的摩擦發(fā)電機(jī)在保證發(fā)電效率的同時還成本低廉。

摩擦發(fā)電機(jī)和傳統(tǒng)的“電磁感應(yīng)式發(fā)電機(jī)”、“摩擦起電機(jī)”不同，摩擦發(fā)電機(jī)的核心在于兩個重要的思路創(chuàng)新，一是摩擦起電和靜電感應(yīng)效應(yīng)的耦合，二是薄層式電極的設(shè)計。記者了解到，因為采用了僅有微米級厚度的薄膜材料，整個器件可以具有柔軟甚至透明的特性。

雖然最初摩擦發(fā)電機(jī)的輸出電流和功率并不理想，但是在王中林團(tuán)隊的努力下，經(jīng)過兩年時間，該問題已經(jīng)被成功克服。研究人員發(fā)現(xiàn)，摩擦發(fā)電機(jī)的兩個工作部件在相互滑動的過程中，電極之間的電荷轉(zhuǎn)移量可以通過材料表面有序圖案化得到極大提高，并和圖案密度呈準(zhǔn)線性關(guān)系。

因此，他們設(shè)計出一種圖案化陣列結(jié)構(gòu)，使摩擦發(fā)電機(jī)的輸出功率產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。最新的摩擦發(fā)電裝置由平面化的圓形定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，采用表面圖案化的摩擦層和電極層，通過旋轉(zhuǎn)式接觸的驅(qū)動設(shè)計實現(xiàn)了1.5W的平均輸出功率，獲得了高達(dá)24%—50%的能量轉(zhuǎn)化率。

與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)相比較，摩擦發(fā)電機(jī)的輸出具有高電壓低電流的特性，正好可以與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的低電壓高電流形成互補(bǔ)的發(fā)電方式。

同時，由于摩擦發(fā)電機(jī)采用的是質(zhì)輕、價廉的有機(jī)薄膜，使其單位體積發(fā)電量是傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的30至50倍，其單位質(zhì)量的發(fā)電量則是傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)30至40倍，在輸出功率密度上具有非常大的優(yōu)勢。目前，王中林團(tuán)隊正在耐用性上對摩擦發(fā)電機(jī)進(jìn)行研發(fā)改善，現(xiàn)有的摩擦發(fā)電機(jī)在連續(xù)100萬次轉(zhuǎn)動的情況下使用效率依然沒有衰減。

在中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所，王中林向記者展示了摩擦發(fā)電機(jī)的發(fā)電效果：連在一起的兩塊薄片，輕輕一捏使其表面發(fā)生接觸，松手后，終端相連的燈光便相繼亮起。這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的方式并不是第一次出現(xiàn)。

類似的按壓式手電筒也是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化電能，它與摩擦發(fā)電機(jī)又有何不同？

從原理上說，按壓式手電筒的發(fā)電過程依據(jù)的是傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式發(fā)電原理，通過手的按動提供機(jī)械能，驅(qū)動手電筒內(nèi)部的齒輪發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而帶動線圈做切割磁力線的運(yùn)動從而產(chǎn)生電流。這樣的發(fā)電裝置都必須內(nèi)置磁鐵以形成磁場，導(dǎo)致其體積和重量都相對較大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，而且其輸出功率不高，屬于功率較小的“微小電器”。而摩擦發(fā)電機(jī)采用的是又輕又薄的塑料薄膜，結(jié)構(gòu)小巧、簡單，并且通過摩擦表面的圖案化設(shè)計，將輸出電流提高到3毫安，這樣不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對手機(jī)等“小型電器”的實時供電，而且很容易通過多組摩擦發(fā)電機(jī)形成陣列的形式，實現(xiàn)大規(guī)模的能源供給。

通過將發(fā)電機(jī)和電力管理電路結(jié)合，研究人員還進(jìn)一步開發(fā)出了一套完整的小型供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有降阻抗、整流、儲能和穩(wěn)壓等功能，能夠提供恒壓穩(wěn)定的直流輸出，從而為包括手機(jī)在內(nèi)的多種常用電子產(chǎn)品提供實時電力或直接充電。目前的輸出功率密度最高可達(dá)500瓦/平方米。

和傳統(tǒng)的電磁發(fā)電機(jī)相比，摩擦發(fā)電機(jī)由于采用了材料表面起電的獨特機(jī)理，具有一系列不可比擬的優(yōu)勢。首先，摩擦發(fā)電機(jī)由薄膜高分子材料和薄膜電極材料制成，具有極輕的重量和極小的體積，其能量密度和電磁發(fā)電機(jī)相比有著巨大的優(yōu)勢。因此，它特別適合于為便攜式及穿戴式電子設(shè)備或無線傳感陣列等小型電器提供電能。

通過帶動微小的傳感裝置，可以實現(xiàn)自驅(qū)動的傳感數(shù)據(jù)傳輸。例如在檢測橋梁震動情況時，可將薄膜式摩擦發(fā)電機(jī)貼附于檢測儀器上，橋梁振動的機(jī)械能可以驅(qū)動摩擦發(fā)電機(jī)發(fā)出電信號，該電信號即可被傳輸?shù)綑z測儀器上作為監(jiān)測信號使用，從而實現(xiàn)儀器的自助檢測。

其次，摩擦發(fā)電機(jī)的制作材料均為大規(guī)模工業(yè)化原料，加之其結(jié)構(gòu)簡單，制作成型簡便，使其制作成本大大低于其他類型的發(fā)電機(jī)，為其廣泛應(yīng)用提供了極為有利的條件。對于普通人，摩擦發(fā)電機(jī)帶來的最大便利有可能是移動通信。

摩擦發(fā)電機(jī)可以通過收集人運(yùn)動時的機(jī)械能將其轉(zhuǎn)化成電能。例如，人們可以將摩擦發(fā)電機(jī)安裝到鞋子上，或者腿上。在人走動的時候，腳部對鞋底的按壓或腿的晃動等動作就會通過摩擦發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電流，將這些電流收集起來并通過電池進(jìn)行存儲，就實現(xiàn)了對電池的充電。走路速度快，充電的速度就快一些，走路速度慢，充電的速度就慢一些，但是這并不影響最終的使用效果。這種充電過程無需人們額外做功，只要按照正常的節(jié)奏做日常的動作即可，使用將會非常方便。

最后，摩擦發(fā)電機(jī)的獨特結(jié)構(gòu)為收集兩物體間的相互滑動提供了可行甚至唯一的方案，這也是傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)所不能比擬的。不僅如此，摩擦發(fā)電機(jī)還具有大規(guī)模收集和轉(zhuǎn)化自然界中機(jī)械能的潛力，有望成為綠色能源供給的全新途徑。[!--empirenews.page--]

“收集自然界中的機(jī)械能是摩擦發(fā)電機(jī)最大的設(shè)想。”王中林介紹，要收集海水浮動的機(jī)械能并不十分容易，隨著風(fēng)向的變化、潮汐的漲落，海水的流動是無法控制的。因此，雖然人們都知道海水中蘊(yùn)藏著巨大的能量，但是至今仍沒有一種合適的辦法對其進(jìn)行收集。對此，王中林認(rèn)為摩擦發(fā)電機(jī)或許能夠解決這個問題，在幅面1平方公里、深5米的海水中，每隔10厘米放置一個球形摩擦發(fā)電機(jī)。按照每個球形摩擦發(fā)電機(jī)的輸出功率為1毫瓦計算，海水一天24小時晝夜不停地流動，理論上可持續(xù)發(fā)出近100萬瓦的電，能夠點亮10萬盞電燈。以此類推，如果大規(guī)模的將這種裝置置于海中，其發(fā)電量將十分可觀，當(dāng)摩擦發(fā)電機(jī)的覆蓋面積達(dá)到2萬平方公里，其發(fā)電量可以與三峽大壩的發(fā)電量相媲美。海水浮動的機(jī)械能是十分穩(wěn)定的， 它在晝夜或季節(jié)變化時浮動不是太大。

“對于尋找未來能源的人類，這也許是一個非常好的選擇?！蓖踔辛终f。(科技日報)