納米能源所制出集成一體化摩擦-電磁混合發(fā)電機(jī)

　　電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)是目前電力供應(yīng)的主要發(fā)電方式，但是電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)在低頻的條件下輸出功率較低，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的效率仍有一定的提升空間。近年來(lái)，作為新時(shí)代能源的摩擦納米發(fā)電機(jī)在收集低頻機(jī)械能方面取得了令人矚目的成就。低成本、制備簡(jiǎn)單的摩擦納米發(fā)電機(jī)利用摩擦起電和靜電感應(yīng)效應(yīng)，能高效地將低頻機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

　　因此，將摩擦納米發(fā)電機(jī)和電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)相結(jié)合，可以彌補(bǔ)電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)在低頻下收集能量的不足，而且具有進(jìn)一步提高能量轉(zhuǎn)化效率的潛在價(jià)值。然而，兩者之間的性質(zhì)有很大的不同。摩擦納米發(fā)電機(jī)相當(dāng)于一個(gè)電流源，電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)相當(dāng)于一個(gè)電壓源，兩者的內(nèi)阻相差很大。對(duì)于混合發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，只有當(dāng)兩種發(fā)電機(jī)在內(nèi)阻匹配的工作條件下才能達(dá)到最大的輸出功率。所以，如何解決摩擦納米發(fā)電機(jī)和電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)之間阻抗匹配的問(wèn)題并集成化成為混合發(fā)電機(jī)研究的難點(diǎn)。 

　　針對(duì)以上問(wèn)題，在中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)、中科院外籍院士王中林和研究員李從舉的指導(dǎo)下，碩士研究生曹冉等人得靈感于商業(yè)化電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，制備出一種旋轉(zhuǎn)套筒式摩擦-電磁混合發(fā)電機(jī)，將摩擦納米發(fā)電機(jī)和電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)高度集成在一起。在不影響電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)工作的前提下，利用摩擦納米發(fā)電機(jī)進(jìn)一步收集轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械能的高效收集。此外，該混合發(fā)電機(jī)在僅僅使用商業(yè)變壓器的條件下就實(shí)現(xiàn)了摩擦納米發(fā)電機(jī)和電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)的阻抗匹配，極大減少了能量在復(fù)雜管理電路上的損耗。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摩擦納米發(fā)電機(jī)和電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)在變壓器的作用下可以高效結(jié)合在一起：在250 rmp的速度下，混合發(fā)電機(jī)的匹配內(nèi)阻為8kΩ，輸出功率高達(dá)14 mW。該旋轉(zhuǎn)套筒式摩擦-電磁混合發(fā)電機(jī)不僅可以收集環(huán)境中譬如風(fēng)能、水能、轉(zhuǎn)動(dòng)能等的機(jī)械能，而且可結(jié)合目前商業(yè)的電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)裝置提高低頻機(jī)械能的利用效率，有很大的實(shí)用價(jià)值和巨大的商業(yè)化前景。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在近期的ACS nano（DOI: 10.1021/acsnano.7b03683）上。

(a)旋轉(zhuǎn)套筒式摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。(b)摩擦納米發(fā)電機(jī)和電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。