新技术让摩擦纳米发电机有望从雨滴中获取电能

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新技术让摩擦纳米发电机有望从雨滴中获取电能

2023-08-02 09:52:43 来源：cnBeta

【资料图】

当雨滴从云层中降落时，会产生少量能量，这些能量可以被捕获并转化为电能。这一过程可以看作是水力发电的小型化形式，即利用水流的动能来发电。一些研究人员认为，从降雨中收集的能量可以作为一种可行的可持续清洁能源。然而，在更大范围内推广这项技术已被证明具有挑战性，从而限制了其实际利用。

为了收集雨滴能量，一种名为摩擦纳米发电机（TENG）的装置利用液固接触电化技术，成功地从雨滴中收集了电能。这项技术还成功地从波浪和其他形式的液固摩擦发电中获取能量。

然而，基于液滴的 TENG（D-TENGs）在技术上受到限制，无法将多个此类面板连接在一起，从而降低了整体功率输出。最近发表的一篇论文概述了如何仿照太阳能电池板阵列对 D-TENG 电池板进行建模，从而更有效地收集雨滴能量，扩大其应用范围。

该论文发表在6月29日的《iEnergy》杂志上。

"尽管D-TENG具有超高的瞬时输出功率，但单个D-TENG仍难以为兆瓦级电气设备持续供电。因此，实现多个 D-TENG 的同时利用非常重要，"清华大学深圳国际研究生院教授宗力说。"参照太阳能电池板的设计，将多个太阳能发电单元并联起来为负载供电，我们提出了一种简单有效的雨滴能量收集方法。"

当连接多个 D-TENG 时，电池板的上电极和下电极之间会产生意外耦合电容。这种意外耦合电容会降低 D-TENG 阵列的功率输出。为了减少这一问题的影响，研究人员提出了桥式阵列发电机，利用阵列下电极来减少电容的影响。

当雨滴落在电池板表面时，一种称为摩擦化（triboelectrification）的过程会产生并储存雨水的能量。当雨滴落在面板表面（称为 FEP 表面）时，雨滴带正电，FEP 表面带负电。"每个水滴产生的电荷量很小，FEP 表面的电荷会逐渐消散。在表面停留很长时间后，FEP 表面的电荷会逐渐累积到饱和状态，此时，FEP 表面电荷的消散速度与液滴每次撞击产生的电荷量达到平衡。"

为了证明桥式阵列发生器与阵列下电极的成功结合，研究人员将传统的 D-TENG 与桥式阵列发生器进行了比较。研究人员还比较了采用不同尺寸下电极的桥式阵列发生器的性能。研究人员还对面板的厚度进行了研究，以确定其是否会对功率损失产生影响。增加 FEP 表面厚度会降低耦合电容，同时保持表面电荷密度，这两点都能提高桥式阵列发电机的性能。

当开发用于雨滴能量收集的桥式阵列发生器并利用阵列下电极和桥式回流结构时，雨滴收集板可能是相互独立的。这意味着可以减少意外的功率损耗。桥式阵列发电机的峰值功率输出比相同尺寸的传统大面积雨滴能源高出近 5 倍，达到每平方米 200 瓦，充分显示了其在大面积雨滴能源收集方面的优势。这项研究成果将为大面积雨滴能量收集提供一个可行的方案。

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