中科院研究证实摩擦纳米发电可与电磁感应发电比肩

2014-4-02 09:07 来源: 中国网
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  中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家王中林院士领导的研究小组近期公布了一项最新研究成果,证实了摩擦纳米发电机与传统电磁感应发电机具有对称性和互补性,首次从理论高度提出了摩擦纳米发电机是继电磁感应发电机之后,采用机械能发电的又一种重要方式,是具有可能和电磁感应发电机同等重要的新能源技术。同时,该小组的研究成果显示,摩擦发电机相对于传统的电磁感应发电机还具有轻便、用材便宜、功率密度高等优势,展示了摩擦发电机作为新能源技术向“大能源”应用迈进的广阔前景。相关研究成果已发表在最新一期的《先进材料》杂志上。

  “电磁感应”是中学物理课本上基础知识,俗称磁生电。自1831年迈克尔·法拉第发现电磁感应现象后,电磁感应发电机成为了最重要、最广泛的发电方式,常见的风力、水力、核能等发电方式都基于电磁感应发电机,在很长时期内都尚无其它的发电方式可与其媲美。

  而近年来,由王中林院士领导的研究团队一直致力于研发摩擦纳米发电机,其原理是利用摩擦生电和静电感应现象,可以驱动微纳米级的电子器件、给便携式电子设备供电,乃至收集潮汐、风能等传统发电机不易获取的机械能,旨在将人们生产、生活中无处不在的各种“摩擦”变废为宝,转变为随手可用的电能,为机械能发电提供了一种全新的理念和视角。

  在此研究基础之上,由中科院北京纳米能源与系统研究所副研究员张弛博士等组成的研究团队在王中林院士的指导下,系统而详细地对比了摩擦纳米发电机和电磁感应发电机的工作原理、控制方程和输出特性,提出并论证了摩擦纳米发电原理与电磁感应发电原理具有对称性和互补性。

  据张弛博士介绍,实验表明摩擦纳米发电机的内阻约为十几兆甚至上百兆欧,可以等效为内阻很大的电流源;而电磁感应发电机的内阻仅为几欧或十几欧,可以等效为内阻很小的电压源,两种电源通过与电阻的串并联形式,可以实现对外电路供电的等效变换。同时,研究小组探索了基于上述两种发电原理的混合式发电机,以及在不同模式下联合工作的可行性,进一步验证了摩擦纳米发电机可以近似等效为理想电流源的特性,为摩擦纳米发电技术在电路中的深入应用提供了理论基础和实验依据。

  研究小组阐述了摩擦发电机相对于传统电磁感应发电机的优势,包括轻便、用材便宜、能量密度高等。研究数据显示,摩擦纳米发电机在单位体积和单位质量的输出功率密度分别为3.1瓦/立方米和 2.6毫瓦/千克,远远大于电磁感应发电机的功率密度。此外,研究小组还探讨了使用有机材料来提高摩擦纳米发电机输出功率的方法,这也为化学和材料学领域的研究开辟了新的方向。

  上述系列研究成果,为摩擦纳米发电机作为新能源技术向“大能源”应用的迈进提供了理论基础和实验依据,首次论证了摩擦纳米发电机是继电磁感应发电机后采用机械能发电的又一种重要方式,是可与电磁感应发电机相比肩的新能源技术,一旦实现产业化,将在自驱动系统、物联网,以及国防科技等方面具有极其重要的应用前景。