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科学家发明了利用降雪发电的薄膜设备

科学家发明了一种新颖的薄膜装置,可以在下雪时发电

基于摩擦起电的原理,两种材料彼此接触之后产生电荷,研究人员的新技术利用了雪花携带正电荷的事实。

因此,如果雪花有机会与恰当的、带负电荷的物质相互作用,就会出现电子的转移。

“雪已经带电了,所以我们就想,为什么不找一种带有相反电荷的材料来制造电力呢?”加州大学洛杉矶分校的化学家Maher El-Kady解释道;他也是一家名为Nanotech Energy的研究公司的首席技术官。

虽然之前没有人想过利用雪来发电,但其他研究人员对其他物质做过类似的事情。

该团队的发明是一种雪摩擦式纳米发电机——依靠与雪摩擦起电和静电感应来收集能量的材料。

近年来,科学家们已经制造过其他类型的摩擦起电式纳米发电机(TENG),它们可以从雨滴、物理运动、汽车轮胎摩擦、甚至人们在地板上行走时收获电力。

在所有这些方法中——包括新的雪TENG——机理都是相同的,具体方法略有不同,取决于运动类型和选用的材料。

加州大学洛杉矶分校的化学家和材料科学家Richard Kaner说:“静电是由一种能捕获电子的物质与另一种能释放电子的物质相互作用产生的。单纯把电荷重新分配就能制造电力,基本上什么别的东西都不需要。”

完成设计并3D打印出电极后,他们尝试把许多种不同的摩擦电材料作为功能层,然后测试其电力输出。

“虽然雪喜欢释放电子,但设备的性能取决于其他材料吸收电子的效率,”El-Kady说,“在测试了包括铝箔和聚四氟乙烯在内的大量材料后,我们发现有机硅产生的电荷比任何其他材料都多。”

当硅作为器件的摩擦层时,可以通过许多不同的接触机制产生电荷,包括雪直接落在硅层上或滑动到硅层上。

在其他设备中,该团队把有机硅黏在自行车车轮外层,以及在远足靴底部,测量它们在雪地上运动时所产生的电力。

虽然在实验中产生的电量不是很大,但研究人员表示,未来很容易把雪TENG集成到太阳能电池板工艺中——当大雪天里太阳能效率低下时,雪TENG开始发挥作用。

每年有4600万平方公里的地表会被降雪覆盖,因此这项技术潜力十分巨大,有朝一日也可用来研发可穿戴发电设备或生物力学跟踪传感器。

在不久的将来,研究人员说,雪TENG最具现实的应用场景是,常年降雪区域里的自供电远程气象站。除了读出风向和风速之外,它还可以测量降雪率和积雪深度。

相关成果发表于Nano Energy杂志中。

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