編者按:浙江大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過紗線表面功能化,將摩擦納米發(fā)電機(jī)依附在紗線上,織成智能化農(nóng)用紡織品,利用雨水沖刷時(shí)的電子轉(zhuǎn)移與流動(dòng)產(chǎn)生電流,從而源源不斷地為智慧農(nóng)業(yè)供能。
功能化紗線的制備流程及其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用場(chǎng)景
光照強(qiáng)度、溫度濕度、鹽堿度……通過農(nóng)業(yè)信息智能感知技術(shù),可以將作物生長(zhǎng)相關(guān)的生理指標(biāo)“一網(wǎng)打盡”。
實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些指標(biāo)需要電力驅(qū)動(dòng),然而田間地頭常常難以鋪設(shè)管線,此外,電池續(xù)航能力有限和污染問題也比較突出。為解決此問題,浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院智能生物產(chǎn)業(yè)裝備創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(IBE)的平建峰研究員等提出,可以從農(nóng)業(yè)環(huán)境中挖掘自然能源并將其高效轉(zhuǎn)化為電能。
該研究團(tuán)隊(duì)首次將摩擦納米發(fā)電機(jī)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)用紡織品中,并對(duì)降雨時(shí)雨滴能進(jìn)行收集,通過能量轉(zhuǎn)化獲取電能。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《納米能源》(Nano Energy)。
從自然環(huán)境中挖掘能源
南方地區(qū)經(jīng)常暴雨成災(zāi),造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的巨大損失。農(nóng)用紡織品在大棚設(shè)施中最為常見,它能夠遮陰擋雨,保護(hù)農(nóng)作物。
如何從農(nóng)業(yè)環(huán)境中挖掘能源?研究團(tuán)隊(duì)通過紗線表面功能化,將摩擦納米發(fā)電機(jī)依附在紗線上,織成智能化農(nóng)用紡織品,利用雨水沖刷時(shí)的電子轉(zhuǎn)移與流動(dòng)產(chǎn)生電流,從而源源不斷地為智慧農(nóng)業(yè)供能。
平建峰介紹道,這個(gè)研究靈感來自仲夏時(shí)節(jié)一場(chǎng)突如其來的大雨。大雨進(jìn)入來不及關(guān)閉的窗戶,摧殘了窗臺(tái)邊的綠植,也引發(fā)了科研人員的思考:“大雨中農(nóng)作物所處的環(huán)境只會(huì)更惡劣,我們能不能想辦法變劣為良呢?”
于是,研究團(tuán)隊(duì)開始在實(shí)驗(yàn)室模擬各種環(huán)境。數(shù)據(jù)顯示,在9.5牛頓的連續(xù)力作用下,3厘米長(zhǎng)的紗線可以產(chǎn)生7.7伏的電壓。以此推斷,裝載摩擦納米發(fā)電機(jī)的紗線做成的大棚布不僅可以成為農(nóng)作物、動(dòng)物的“保護(hù)傘”,還可以作為雨滴能的收集器。
覆蓋兩層特殊功能材料
為什么雨滴的能量可以轉(zhuǎn)化成電能?“這是因?yàn)槲覀儗?duì)農(nóng)用紡織品的紗線進(jìn)行了特殊改造。”平建峰解釋道,“科研人員在其表面覆蓋了兩層特殊材料——導(dǎo)電的碳化鈦納米材料和不導(dǎo)電的聚二甲基硅氧烷,它們是構(gòu)成摩擦納米發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵材料。”
聚二甲基硅氧烷是一種常見的高分子聚合物,能夠防水并與環(huán)境中的雨水發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。而碳化鈦感應(yīng)電極,不僅具有高導(dǎo)電性能,還因其高電負(fù)性可以助力表面聚合物搶奪電子。
平建峰介紹說,這兩種材料具有良好的生物相容性,在實(shí)現(xiàn)農(nóng)用紡織品原有的保溫、遮陽(yáng)、水土保持、排水灌溉、種子培育的功能基礎(chǔ)上,還能從自然環(huán)境中源源不斷地獲取能源,為智慧農(nóng)業(yè)提供驅(qū)動(dòng)力。
也有人對(duì)此提出質(zhì)疑,如果沒有降雨,改造后的紗線還收集并提供能源嗎?“雨水不足,我們還可以采集風(fēng)能。”平建峰從摩擦納米發(fā)電機(jī)的原理講起,其動(dòng)力源既可以是風(fēng)力、水力、海浪等自然能源,也可以是人的行走、手的觸摸、下落的雨滴等隨機(jī)能源,甚至可以是車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)、機(jī)器的轟鳴等垃圾能源。
在這項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)布之前,研究團(tuán)隊(duì)就已開始著手將摩擦納米發(fā)電機(jī)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)。團(tuán)隊(duì)曾設(shè)計(jì)了一種由摩擦納米發(fā)電機(jī)和微型超級(jí)電容器組成的集成式自清潔、自充電裝置,它能高效地從雨滴中收集能量并進(jìn)行存儲(chǔ)。
“實(shí)驗(yàn)中,我們將3×7厘米的薄膜器件貼附在植物葉片上,用于收集雨水的能量。模擬自然界中的降雨,經(jīng)過該器件的轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ),可以為商業(yè)化的農(nóng)業(yè)環(huán)境溫濕度傳感器件提供電能。”平建峰介紹道。
助力農(nóng)業(yè)信息無源實(shí)時(shí)感知
未來,這些被改造的農(nóng)用紡織品建成的大棚通過連接儲(chǔ)能設(shè)備,不僅可以為種植業(yè)和畜牧業(yè)提供保護(hù),以提高農(nóng)畜產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量,還可以為物聯(lián)網(wǎng)感知器件源源不斷地輸送電能。
因其對(duì)環(huán)境沒有破壞,這項(xiàng)技術(shù)可以稱為綠色能源技術(shù)。由此可見,裝載摩擦納米發(fā)電機(jī)的紗線可以說是智慧農(nóng)業(yè)的“無源活水”。但平建峰指出,該紗線的規(guī)?;瘧?yīng)用推廣尚需時(shí)日。
“目前小規(guī)模的制備我們可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化,但大規(guī)模制備上還存在一些問題。一方面碳化鈦納米材料的制備成本較高,推廣有難度,未來需要尋找廉價(jià)替代材料;另一方面材料的涂覆技術(shù)尚未形成工藝,尤其是對(duì)涂覆厚薄有待進(jìn)一步摸索。此外,線路連接、編織方式等都需要進(jìn)行優(yōu)化。”平建峰說。
下一步,研究團(tuán)隊(duì)還將通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、編織紗線、管理電路等進(jìn)一步提升該技術(shù)的實(shí)用性能,助力實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息無源實(shí)時(shí)感知,為農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)創(chuàng)造有利條件。
原標(biāo)題: 摩擦發(fā)電讓雨滴變身“儲(chǔ)能電站”