利用摩擦纳米技术,雨滴也能发电!与光伏互补


发布时间: 2018/3/10 20:04:53 被阅览数: 5833 次
 

大自然的能量无处不在,太阳能、风能都是可以利用的能量来源。一直以来,太阳能电池板一个致命的缺陷,就是阴雨天它会变得很无能。不过,科学家们瞄准了这一痛点,近日一条来自中国光学期刊报道让人眼前一亮:苏州大学研发出一种基于摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator, TENG)技术开发的混合材料太阳能电池板,雨天照样发电并存储电能!

 

 


近日,中国苏州大学功能纳米与软物质研究院孙宝全教授课题组与孙旭辉教授课题组合作在《ACS Nano》上发表论文,将太阳能电池与摩擦电纳米发电机(TENG)结合,开发出一种混合型太阳能电池,既可以利用阳光发电,也可以利用雨滴发电。

 

 

摩擦电纳米发电机,关注前沿科技的朋友一定不会陌生,十几年前就有科学家在研究并有新闻发布。简单说,摩擦电纳米发电机是通过采集设备上的机械能发电,例如利用弯曲手指、或者跑步、或者波浪运动的能量。


然而,苏州大学的科研人员却利用了雨滴的能量发电,他们将摩擦电纳米发电机集成到太阳能电池中,让太阳能电池在雨天也能有效发电。之前,也有一些类似的研究在太阳能电池中添加了赝电容或摩擦电纳米发电机(TENG),但这些设备往往非常笨重且难以制造,而苏州大学的科研团队旨在开发一种更好的混合能源采集系统。

 

 

基本原理

它的原理是摩擦起点和静电感应,通过材料之间摩擦引起的电荷转移,实现了一举一动都能发电。这种雨滴发电装置利用了高分子纳米薄膜,为上下两层,雨水滴到薄膜上之后,两层材料会有一个接触,表面就能通过摩擦感应电荷。雨水不是纯净水,而是带电荷的,通过接触之后,一层薄膜吸附正电,另一层薄膜带负电,这样一正一反就产生了电压,与封闭的回路连接,从而就产生了电流。

为了改善电流不稳定的情况,针对摩擦生电不稳定的情况,专门研究了相应的电路,先把电收集到一个电容器内进行暂时的储存,再导出形成直流稳压的电流,数值显示能量转化率可高达85%。

纳米薄膜做成透明状后,透光率可达到90%以上,将其铺设在太阳能电池板上,即可成为下雨时雨滴发电、晴天时太阳能发电的复合能源,这是光伏发电技术上升到的一个全新高度。

 

那么,这种混合型太阳能电池有什么独特的地方呢?

研究人员采用了两种聚合物材料:PDMS 和 PEDOT:PSS,PDMS 是指聚二甲基硅氧烷,PEDOT:PSS 是一种高分子聚合物的水溶液,导电率很高。

 

 

摩擦纳米发电机具有四种基本工作模式(上图),分别为垂直接触-分离、水平滑动、单电极、独立层等,是一项颠覆性技术并具有史无前例的输出性能和优点。

摩擦电纳米发电机位于太阳能电池之上,结合了作为摩擦电材料的PDMS与作为电极的PEDOT:PSS 层。PEDOT:PSS 薄膜层位于太阳能电池与摩擦电纳米发电机之间,成为太阳能电池与摩擦电纳米发电机的共同电极。就太阳能电池而言,加入PEDOT:PSS可以减少光线反射,从而改善其性能。当雨滴落下时,顶层的摩擦电纳米发电机被激活,PEDOT/PSS材料薄膜层会将摩擦电纳米发电机生成的电能传送至太阳能电池。此外,因为聚合物是透明的,所以在晴天时,太阳能电池仍然可以从阳光中采集能量。

 

国内多个机构在研究

2017年5月全国科技活动周北京主场,中科院北京纳米能源与系统研究所展示了“雨滴薄膜发电”技术;

清华大学张弓教授课题组开发出了一种基于多层可拉伸高分子材料的摩擦纳米发电机和相关的自驱动系统;

北京大学信息科学技术学院张海霞教授课题组利用静电纺丝工艺,成功研制出可用于柔性表面按压能量采集和人体生理信号检测的压电摩擦复合式纳米发电机。2017年5月发表于纳米科学技术领域重要期刊《纳米能源》Nano Energy上

青岛海洋大学的研究人员通过在太阳能发电板的表面增加一层薄薄的石墨烯,使得雨水产生的离子冲刷石墨烯表面,从而产生电力;

……

 


价值巨大

这项研究非常具有创新性,它使得太阳能电池无论是晴天还是雨天,都可以采集能量发电,有效地将太阳能电池技术和摩擦电纳米发电机技术的优势结合起来,很好地整合到一个系统中去,提供一种高效的能源利用方式。

摩擦纳米发电机通过面积规模化,可以收集风、雨、海水动能中蕴藏的巨大能量


有物理学家认为,纳米发电机将是麦克斯韦位移电流,继电磁波理论和技术后,在能源与传感方面的另一重大应用,有可能引领技术革新并深刻改变人类社会。摩擦纳米发电机作为微纳能源,有望成为新能源的重要组成部分,可以应用于移动通讯、物联网、传感网络、健康监测、可穿戴设备、环境保护、基础设施监测、国防技术等方面。

 

据权威专家预估,雨滴发电和水波能发电可能会在5年左右走向产业化,让一些设备实现自供能。对于在一些多降雨的林区或偏远地区,通电不是很方便,在未来如果雨滴薄膜发电供电稳定,技术上也更加趋向成熟,也是一个很好的供电选择。

 


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