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2019年10月13日

中大研究团队建立纳米发电机输出能力的通用评估方法推动纳米发电机应用及发展

2019年10月13日
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CS模式下可见电弧的空气击穿现象。

(a) TENG 系统的能量转化;(b) 时的V-Q图,其中“+”为非击穿区域,“-”为击穿区域;(c)测量方法的电路图;(d)标准化测量方法的流程图。

訾教授 (左五) 及其研究团队。

訾云龙教授。

纳米发电机透过收集热能、机械能等转化为电能,它的出现为小型电子设备提供持续稳定供电,功能亦愈趋多元化。香港中文大学(中大)机械与自动化工程学系助理教授訾云龙教授及其研究团队,最近研发了一种评估纳米发电机(Nanogenerator)输出能力的通用标准化方法。与传统方法相比,这种方法能够更加准确地反映发电机的实际输出能力,为这种新兴能量收集技术的实际应用和商品化奠定重要的基础。此研究成果近日于著名科学期刊《自然—通讯》发表 (https://www.nature.com/articles/s41467-019-12465-2)。

纳米发电机主要分为压电、摩擦和热释电三种。其中摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,TENG)是利用摩擦起电效应作能源收集,有趣地方是任何材料都可用作发电的接触材料,例如常见的衣服纤维及纸张,而且输出和转换效能较高,因此特别受到关注。不过,其特殊的电容输出特性使得传统的性能表征方法并不适用,难以准确评估它的效能。虽然有科学家定立一套定量评估输出性能的标准—品质因数(FOM),通过最大能量输出回圈而评估性能;不过,FOM的定义缺乏对击穿效应的考量,相应的性能评估及实验评估方法亦尚未提出,使FOM评估标准的广泛应用受到限制,从而影响TENG的发展和普及。

訾云龙教授及其团队成员进行一连串测试和试验,透过设计特定的测量电路解决击穿效应难以测量的问题。团队按照他们设计的实验流程,测定了接触分离(CS)和接触式独立层(CFT)模式TENG的击穿区域,其结果与理论保持一致。在此基础上,团队基于实验测得的有效最大能量输出重新定义了FOM,使其可以反映TENG的实际输出能力。团队亦将新的测量方法应用在基于聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜的压电纳米发电机上,进一步证明新方法有广泛适用性,为纳米发电机技术的标准化应用和普及定下基础。

有关訾云龙教授

訾云龙教授在2017年加入中大,致力研究能量收集技术包括纳米发电机,特别是TENG,并已取得一系列独立研究成果,荣获多个奖项。此研究专案获得香港特别行政区创新科技署创新及科技基金、信兴高等工程研究院、香港中文大学的资金支持。



CS模式下可见电弧的空气击穿现象。

CS模式下可见电弧的空气击穿现象。

 

(a) TENG 系统的能量转化;(b) 时的V-Q图,其中“+”为非击穿区域,“-”为击穿区域;(c)测量方法的电路图;(d)标准化测量方法的流程图。

(a) TENG 系统的能量转化;(b) 时的V-Q图,其中“+”为非击穿区域,“-”为击穿区域;(c)测量方法的电路图;(d)标准化测量方法的流程图。

 

訾教授 (左五) 及其研究团队。

訾教授 (左五) 及其研究团队。

 

訾云龙教授。

訾云龙教授。

 

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