水气球的妙用(气球的妙用有哪些）

当气球遇到海水时

如何转型成高性能发电机？

「笔记」水球有什么神奇的作用？

普通玩具为什么会“点石成金”？

浙江大学海洋学院

电子与智能系统研究所纳米能源研究团队

将带领我们一起探索其中的奥秘！

近年来，随着各国工业化和能源消耗的不断增加，可再生能源的开发和利用变得越来越重要。值得注意的是，海洋能是一种取之不尽、用之不竭、无污染的巨大可再生能源。因此，海洋能的开发利用，尤其是波浪能的研究，可以说是海洋能利用领域最重要的工作，也成为了今年科研人员关注的焦点。然而，基于电磁发电技术的传统波浪发电装置在低频低幅波浪作用下难以有效发挥其发电效果。值得一提的是，作为新一代能源设备，摩擦电纳米发电机(TENG)可以有效地将低频低幅的机械能转化为电能，为从海浪中获取能量提供了一种新的实用途径。

近日，浙江大学海洋学院海洋电子与智能系统研究所纳米能源研究团队制作了一种多频高性能摩擦纳米发电机，可以利用生活中常见的气球来收集波浪能。这项研究发表在国际著名期刊《先进能源材料》(高级能源材料)上，题目是“基于一个水球的多频高输出摩擦发电机，用于全天候水波能量采集”。

论文第一作者为浙江大学海洋学院2019级博士生夏克泉，通讯作者为浙江大学海洋学院教授许智伟。

制作一个水球来发电

气球是我们日常生活中常见的儿童玩具。气球注水后，会有很好的弹性和拉伸性。同时，构成气球的PVC材料是一种具有优异摩擦电性能的介电材料。

夏克泉突然想到，是否有可能将这种特殊结构与近年来对纳米能源的研究结合起来，利用日常生活中使用的材料来发电。

为此，研究团队研制了一种基于水球的多频高性能摩擦纳米发电机(WB-TENG)用于波浪能收集。提出的WB-TENG由一个方盒子和一个水球组成。盒子内壁覆盖一层导电铜箔，再在导电铜箔表面粘贴一层尼龙膜。将铁丝放入气球内，然后向气球内注入氯化钠水溶液，最后打结封口。将制作好的水球放入方形盒中，即完成WB-TENG发电装置。

图一。(一)WB-Teng浮于水面的效果展示图；(b、c)w B- Teng的结构展开图和内部物质分布图；(d)w B- Teng的实物图；(e-f)水球的流程图；(h，I)气球膜和尼龙膜的电镜照片。

为什么会发电？

根据摩擦起电原理，当气球和尼龙膜相互碰撞时，两层膜的表面会带等量的不同电荷。当两层薄膜处于接触-分离运动时，根据静电感应原理，气球中的氯化钠溶液和附着在尼龙膜上的导电铜箔会感应出等量的不同电荷。这时，连接两个电极的电路中就会产生交流电，然后就可以发电了。

图二。WB-Teng的发电原理

水球的妙用

以往的研究报道了多种收集水波能量的摩擦纳米发电机结构，包括球形结构、圆柱形结构、塔式结构和蝶形结构等。取得了良好的发电效果。然而，单一的工作模式和较低的能量转换效率限制了TENG在海洋环境中收集波浪能的实际应用。所以在这部作品中，WB-TENG可以实现三种工作模式(完全接触-分离模式；局部接触-分离模式；往复接触-分离模式)，可以收集任意方向的机械能，极大地促进了腾在海洋能量收集方面的应用。

此外，由于水球具有良好的弹性，当WB-TENG受到低频外力时，水球会不断与箱体内壁碰撞，从而产生多频输出电流。根据实验测试，在相同条件下，WB-TENG在一个工作循环中的总转移电荷是传统基于双板结构的TENG的28倍，这表明基于水球的结构设计将大大提高能量转换效率。此外，由于水球可以在不增加任何支撑结构的情况下达到自支撑的效果，所以WB-TENG在轻微震动的情况下仍然可以产生电输出。

根据水球伸缩性，在水球与尼龙膜不断碰撞摩擦的过程中，水球表面不断积累电荷，直至饱和，将带来超高的输出性能。根据实验测试，在1.5 Hz的工作频率下，WB-TENG短路电流瞬时峰值可达147微安，开路电压瞬时峰值可达1221伏。同时WB-TENG在外接负载为20mohm时达到最大输出功率，其瞬时峰值为13.52mW。

值得一提的是，WB-TENG不仅可以作为发电装置，还可以作为传感装置来反映海浪的振动，对于海洋能量采集和海洋环境分布式传感网络的构建具有积极的意义。

3.三种工作模式及其电输出特性示意图：(a)全接触-分离模式；(b)局部接触分离模式；(c)往复接触-分离模式。

图4。(a)带有集成能量管理电路的WB-TENG示意图；(b)设想未来收集海洋波浪能的大型WB-TENG阵列；(c)c)w B- TENG对不同电容器的充电效果；(d，e)基于能量管理电路的不同工作状态；(f)在波浪的作用下，WB-TENG可以点亮30颗LED珠子；(g)“ZJU海洋2020”中排列的142个LED灯珠被点亮的照片；(h)不同波高下的电压输出。

许智伟教授构建的海洋电子与智能系统研究是基于信息科学与海洋信息物理的交叉学科，重点研究信息电子、智能机器人和应用于海洋的新能源材料/器件。本研究得到了中央大学基金和国家自然科学基金(61674128，61731019)的资助。

(原标题《气球遇到海水能够全天候发电？浙大研究团队变出了这个魔术》。编辑郭依林)