利用摩擦电效应收集浪费的能量

随着一声跺脚，1000个LED灯泡在没有电池或电源线的情况下亮了起来。

这种电流的来源就像你在寒冷干燥的日子里走过地毯时，指尖上的微小火花跳到门把手上一样。佐治亚理工学院王忠林教授和他的研究团队已经学会了如何获取这种力量并将其投入工作。

王利用摩擦电效应，通过摩擦或触摸两种不同的材料来产生惊人的电力。他认为，这一发现可以为传感器和智能手机等移动设备提供一种新方法，通过捕捉走路、风吹、振动、海浪甚至汽车驶过时产生的浪费机械能。

除了发电，这项技术还可以提供一种新型的自供电传感器，可以检测振动、运动、漏水、爆炸，甚至是降雨。

“我们能够为今天的移动和传感器应用提供少量的便携式电源，”乔治亚理工学院材料科学与工程学院的摄政教授王说。“通过从各种活动中获取能量，这开辟了一种能源。”

在最简单的形式中，摩擦发电机使用两种不同的材料，一种是电子供体，另一种是电子受体。当两种材料接触时，电子从一种材料流向另一种材料。如果两张纸分开，其中一张纸上的电荷被它们之间的间隙隔离开来。如果一个电负载接在两个表面外缘的两个电极上，一个小电流就会流过来平衡电荷。

通过不断重复这一过程，可以产生交流电。在该技术的一种变化中，这些材料(最常见的是廉价的柔性聚合物)在分离之前如果相互摩擦就会产生电流。研究人员也在建造产生直流电的发电机。

“通过摩擦电气化可以产生电荷的事实是众所周知的，”王说。“我们所介绍的是一种间隙分离技术，它会产生电压降，从而导致外部负载中的电流流动，从而允许电荷被使用。这种发电机可以把环境中的随机机械能转换成电能。”

自从他们第一次发表这项研究以来，王和他的研究团队将摩擦发电机的功率输出密度提高了10万倍，报告称一平方米单层材料现在可以产生300瓦的功率。他们发现，体积功率密度达到每立方米400千瓦以上，效率超过50%。研究人员扩大了能量收集技术的范围，从装有发电材料口袋的“能量衬衫”，扩展到鞋垫、哨子、脚踏板、地垫、背包和在海浪上漂浮的浮标。

他们已经学会了通过在聚合物薄片上应用微米级的图案来增加功率输出。该模式有效地增加了接触面积，从而增加了电荷转移的有效性。

王和他的团队在研究压电发电机时偶然发现了摩擦电效应的发电潜力，压电发电机利用了一种不同的现象。一个压电器件的输出比预期的要大得多，输出高的原因可以追溯到不正确的组装，使两个聚合物表面摩擦在一起。

“当两种材料发生物理接触时，摩擦电气化就会发生，”乔治亚理工学院材料科学与工程学院海托华教授王说。“当它们被分开时，就会产生一个间隙距离。为了使局部电荷相等，电子必须流动。我们从中得到了惊人的高电压和高电流。到目前为止，我们已经发现了摩擦发电机的四种基本模式。”

自从他们最初意识到这种效应的可能性以来，王的团队扩大了应用范围。它们现在可以通过水——海水、自来水甚至蒸馏水——与有图案的聚合物表面接触产生电流。他们最新的论文描述了如何从笔记本电脑的触摸板中获取能量。

他们现在使用各种各样的材料，包括聚合物、织物甚至纸张。这些材料很便宜，可以包括回收的饮料瓶等来源。发电机由近乎透明的聚合物组成，可用于触控板和屏幕。

除了用作电源外，王还利用摩擦电效应进行无外部电源的传感。由于发电机在受到扰动时会产生电流，因此它们可以测量流速的变化、突然的运动，甚至雨滴的下落。

“如果对这些发电机施加机械力，它们就会产生电流和电压，”他说。“我们可以测量电流和电压作为电信号，以确定机械搅拌的程度。这种传感器可用于交通、安全、环境科学、医疗保健和基础设施应用的监测。”

格雷戈里·黑尔是工业安全和安全来源(ISSSource.com)的编辑和创始人，这是一个涵盖制造业自动化领域安全和安全问题的新闻和信息网站。编辑:Jessica DuBois-Maahs, CFE Media的副内容经理，jdmaahs@cfemedia.com．

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