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【Nano Energy】串列圆盘式纳米发电机实现“蓝色能源”器件性能新突破
发表日期: 2019-09-27 文章来源:
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  水是生命之源,是生物体最主要的成分之一。地球表面约70%的面积都被水覆盖,水深刻影响着地球的天气系统、地表形态等。水污染是当今人类面临的最严重的环境问题之一。为了有效检测、分析和控制水污染,需要开发能够原位实时工作的水质检测系统。其中,提供低成本和可持续的电力供应是一个亟待解决的关键问题。太阳能电池是目前的主要解决方案之一,但是其性能受天气、昼夜交替等因素强烈影响。王中林院士于2012年提出的摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator, TENG)为解决这个问题提供了新的思路。摩擦纳米发电机具有重量轻、材料选择丰富、结构灵活、易于制造、成本低等优点。它可以有效收集低频的机械能,因此可以用于收集水体本身蕴含的丰富机械能—波浪能,并进行供电。采用TENG及其网络收集波浪能的概念最早由王中林院士于2014年提出,通过TENG将不规则的低频波浪运动转化为电能,并基于大规模的TENG网络收集大面积海域的波浪能量,将可能成为一种非常有前景的波浪能量收集技术方案,可以为包括水质监测系统在内的各种海洋设备提供电能供给,并且有可能实现一种清洁可再生的优质能源。 

  近日,在中科院北京通博tb娱乐与系统研究所王中林院士的指导下,博士生白钰、许亮副研究员、贺川副教授等人提出了一种可扩展的串列圆盘式摩擦纳米发电机(Tandem disk triboelectric nanogenerator, TD-TENG),实现了高性能的波浪能收集,并应用于自驱动水质监测。一般而言,旋转圆盘栅格结构是一种高性能的TENG结构设计,可以将低频的机械驱动转化为高频的电能输出,但此结构由于盘间较大的摩擦力而难以应用于低频波浪能收集等场合。在此项工作中,研究团队采用了一种易于实现的表面结构,在保证摩擦起电性能的同时有效降低了摩擦阻力,使得器件能够很好响应低频的波浪驱动,并极大提升了器件的耐久性。采用串列结构设计可在单个器件中集成多个圆盘栅格单元,通过摆式结构可有效吸收波浪的低频机械能,并输出高频的电能,实现了“蓝色能源”器件性能的新突破。0.58 Hz的低频波浪驱动下,最大峰值功率和平均功率分别达到了45.0 mW7.5 mW,大约是典型球壳结构器件的35倍和24倍,TENG核心结构的最大平均功率密度也达到了7.3 W m-3。此外,基于器件的高频输出,通过简单的电源管理电路,可将短路电流提升到11 mA,相比已报道的数十或者数百微安级别的电流有了很大的提升。该研究还展示了基于该器件构建的自驱动水中溶解固体总量(Total dissolved solids, TDS)测试系统,单个TENG器件即可驱动能耗较大的TDS传感器。该自驱动水质监测系统可进一步扩展成网络,用于大面积海域的实时原位水质分布及演化的监控。该工作展示了通过收集周围水体能量实现各种自驱动免维护的海洋传感平台的广阔前景,为智慧海洋、环境保护等领域提供了一种基础支撑技术。相关成果以“High-performance triboelectric nanogenerators for self-powered, in-situ and real-time water quality mapping为题发表在Nano Energy()     

1 a) 自驱动水质监测系统示意图。b) 器件结构示意图。c) 器件在低频水波(0.58 Hz非冲击水波)驱动下的峰值功率和平均功率。d) 变压前后的电压和电流对比。e) 器件在低频水波驱动下为大电容充电的性能。f) 单个器件点亮600LED灯。g) 器件阵列示意图。h) 自驱动水质传感阵列示意图。

 
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