2021年03月19日

港中大工程学院研发水管式摩擦纳米发电机 高效收集海洋能引领蓝色能源新潮流

香港中文大学(中大)工程学院的研究团队最近研发一款水管式摩擦纳米发电机,能够将多种不规则低频机械能,包括海浪能量,高效地转换成电能,为开发「蓝色能源」提供崭新路向。

海洋占据着地球表面面积约七成,是最大的能量储存体。科研人员一直致力探索如何充分利用海洋发电,解决世界能源危机及火力发电产生的污染问题。纳米发电机是开发机械能发电的关键技术之一,它主要分为压电、摩擦及热释电三种,其中摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,TENG)是利用摩擦起电和静电效应,把两种材料相互摩擦时的机械能转换为电能。

然而,一般的TENG装置都是固体与固体的摩擦,难以确保两种摩擦材料的接触紧密性,因此所产生的电荷密度往往较低,而且材料表面在长期摩擦后会磨损。此外,用于收集不规律振动能量的TENG装置,都需要加入不同的部件例如弹簧、支架、旋转器具等,复杂的结构会影响采电效率。

中大机械与自动化工程学系助理教授訾云龙教授领导的研究团队,最近克服了以上技术限制,他们针对不规律和低频环境,例如水面上的海浪,开发了一款水管式摩擦纳米发电机(WT-TENG)。团队将水封装在手指大小的胶管(FEP),当水与胶管的电极区域摩擦时,便会产生电流。基于水的流动性,WT-TENG适合在多种运动模式中收集能量,包括旋转、摇摆、跷跷板、水准线性模式等,可以对应风力、海浪、身体和车辆运动等。另外,由于水和胶管表面可以紧密接触,突破基于固体材料的TENG装置电荷体积密度不足问题。经过测试,WT-TENG的输出体积电荷密度在低至0.25 Hz的频率下达到9 mC / m3,是现有记录中最高的输出值。

团队将水封装在手指大小的胶管(FEP),当水与胶管的电极区域摩擦时,便会产生电流。基于水的流动性,WT-TENG适合在多种运动模式中收集能量,包括旋转、摇摆、跷跷板、水准线性模式等。

此外,每个WT-TENG单元都可以像积木一样,拼合成较大型的发电装置,令电能输出倍增。研究团队测试了两个装置,分别是装有34个WT-TENG单元的盒子,被放到海面上收集海浪能量,以及有10个WT-TENG单元组成的手环,由测试员戴上并不断摆动手臂。两个测试的高峰发电量都足以推动150个LED灯泡。

訾云龙教授表示:「之前的海洋能收集系统往往要依赖庞大而笨重的电磁发电机,而且海浪要达到较高的频率才能产生电力。这次研究有望推动摩擦纳米发电机技术的应用,特别是用于收集『蓝色能源』,对人类发展可再生能源,实现碳中和的目标提供崭新方向。」

每个WT-TENG单元都可以像积木一样,拼合成较大型的发电装置,令电能输出倍增。

研究团队将装有34个WT-TENG单元的盒子,放到海面上收集海浪能量,高峰发电量足以推动150个LED灯泡。

相关研究成果最近于国际知名期刊《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)刊登。文章第一作者为博士后研究员吴昊、訾云龙教授为唯一通讯作者,香港城市大学王钻开教授参与指导了本工作。

訾云龙教授(左)和吴昊博士(右)

有关訾云龙教授

訾云龙教授在2017年加入中大,致力于研究能量收集技术特别是TENG以及相关的自驱动系统,取得一系列研究成果,荣获多个奖项。此研究项目获得香港特别行政区研究资助局杰出青年学者计划、创新科技署创新及科技基金、信兴高等工程研究院、广东省基础与应用基础研究基金的资金支援。

訾云龙教授目前在深圳研究院承担的项目

广东省基础与应用基础研究基金项目-区域联合基金-青年基金项目:可再生海洋能源的高效收集-2020A1515111161

原文转载

香港中文大学传讯及公共关系处 二零二一年三月十八日《中大工程學院研發水管式摩擦納米發電機 高效收集海洋能 引領藍色能源新潮流》https://www.cpr.cuhk.edu.hk/sc/press/leading-blue-energy-revolution-cuhk-faculty-of-engineering-develops-water-tube-based-triboelectric-nanogenerator-for-efficient-ocean-wave-energy-harvesting/