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2022年06月29日 曹彬及合作者在雨滴能量收集的液滴发电机研究方面取得进展 来源: 清华大学深圳研究生院


近日,清华大学深圳国际研究生院能源与电工新技术实验室曹彬博士与中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所王中林院士课题组合作,设计了一种新型结构的雨滴摩擦纳米发电机(SCE-DEG)。

雨滴是自然界存在的一种丰富的可再生能源,如何有效利用雨滴能量一直是研究的热点。对于雨滴能量收集,传统的水力发电机由于存在建设成本高、不适合低频能量采集、难以实现分布式能源收集等缺点而难以实际应用。作为新一代能量采集技术,摩擦纳米发电机具有结构简单、成本低、易于分布式能源收集等优点,引起了研究者的关注。液滴摩擦发电机已被证明可以通过水滴和固体摩擦电材料之间的接触带电效应有效地获取雨滴能量,但仍面临着如何简化结构和提升输出功率等挑战。

为此,研究团队利用上电极的自电容效应设计了一种具有简单开放结构的雨滴摩擦纳米发电机(SCE-DEG),可轻易地安装在棚屋等倾斜的建筑物上实现雨滴能量的收集。与传统的雨滴摩擦发电机相比,SCE-DEG具有结构简单、输出功率高的特点,目前该设备的瞬时峰值输出功率达到765 W/m2,为雨滴摩擦纳米发电机的大规模推广应用提供了一种切实可行的方案。

图1. SCE-DEG的结构和性能。(a) SCE-DEG在建筑物屋上的应用;(b)SCE-DEG与传统液滴TENG结构图;(c)SCE-DEG和传统液滴TENG的空载输出电压;(d)本工作中获得的瞬时功率密度与其他研究的比较。

论文中详细阐述了SCE-DEG的基本工作原理,建立了SCE-DEG的等效电路模型,通过仿真和试验研究了不同尺寸上电极对于SCE-DEG输出电压的影响,明确了上电极自电容在SCE-DEG中的重要作用。一滴水撞击SCE-DEG可直接点亮100个商用LED灯泡,充分显示了其超高输出性能。

图2. SCE-DEG工作原理。(a) SCE-DEG的工作原理;(b)等效电路;(c) 上电极长度的影响;(d)单个水滴的输出电压和电荷变化。

图3.电极几何形状的影响。(a)不同电极长度(R=0.31mm)的输出电压;(b)输出电压、上电极电容和上电极长度之间的关系;(c)不同电极长度(R=0.56mm)的输出电压;(d)不同上电极排列的SCE-DEG输出电压。

图4.SCE-DEG 在电容器、计算器和 LED 上的应用。(a) SCE-DEG 对不同电容器的充电曲线;(b)不同滴水频率;(c)为商用计算器通电;(d)点亮 100盏商业LED 灯。

相关成果以“用于大规模雨滴能量收集的液滴发电机”(A droplet-based electricity generator for large-scale raindrop energy harvesting)为题,发表在《纳米·能源》(Nano Energy)上。清华大学深圳国际研究生院硕士毕业生李宗为文章的第一作者,李宗毕业后一直和能源与电工新技术实验室合作研究雨滴能量收集项目。清华大学深圳国际研究生院能源与电工新技术实验室曹彬博士、中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所王中林院士为文章的共同通讯作者。论文其他作者还包括清华大学深圳国际研究生院王黎明教授、尹芳辉助理教授、博士毕业生杨代铭、张中浩,以及中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所林世权副研究员。该项目得到了国家自然科学基金的资助。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107443 


文:曹彬

图:尹芳辉

编辑:黄萧嘉

审核:林洲璐

封面设计:申巍