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中国科学院纳米能源所摩擦纳米发电机研究获进展 |
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| http://cn.newmaker.com
4/2/2014 3:57:00 PM
佳工机电网
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中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士领导的研究小组最近研究了摩擦纳米发电机与传统电磁感应发电机的对称性和互补性，首次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。相关研究成果分别发表在《先进材料》（Adv. Mater. DOI:10.1002/Adma. 201400207）和《纳米技术》（Nanotechnol. 2014, 25(13): 135402）杂志上。
人们的生活环境和工业生产中存在大量可以利用的机械能，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，至今还没有其它发电方式可与之比肩。近年来，王中林研究团队发明的摩擦纳米发电机提供了一种采用机械能发电的新方法，其原理基于摩擦生电和静电感应现象，不仅能够驱动微纳电子器件工作，还可以给便携式电子设备和家用电器供电，收集电磁感应发电机不容易获取的机械能，比如海浪能、机械振动等，将有可能成为与电磁感应发电机同等重要的发电技术。
由张弛和范凤茹博士等组成的主力团队，在王中林指导下，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，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，建立了基于两种不同发电原理的混合式发电机，在多种模式下探索了两种发电机在电路中的联合工作，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，为其在电路中的深入应用提供了实验依据。研究小组还讨论了基于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启了新的方向。
该研究工作阐述了摩擦发电机相对于传统电磁感应发电机的优势，包括质轻，体积小，用材便宜等，其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。该项研究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，展示了摩擦纳米发电机具有与电磁感应发电机同等重要的应用前景，对于推动自驱动系统、物联网，以及国防科技等方面的发展具有很重要的意义。
由直流电磁感应式发电机（DC-EMIG）和直流摩擦纳米发电机（DC-TENG）构成的混合式直流发电机结构图
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