摩擦发电机：收集自然界中的机械能

风力摩擦发电装置

阵列式摩擦发电机

摩擦起电效应，是自然界中最常见的现象之一，它是由两种不同材料经过相互摩擦而使其接触表面带电的现象。相互接触的两块薄片，本来二者表面都不带电，但是在接触之后，由于材料不同，其性能也不同，一个容易失电子，一个容易得电子，由此就导致两种材料经过接触后一方带正电，一方带负电。这就是我们一般所认识的摩擦起电现象。这种现象虽然普遍，但是除了在电学实验中被用于形成高压电场之外，一直无法被有效利用来作为功率源。

3月下旬，关于“摩擦发电机”的报道引发广泛关注。消息选自2012年1月以来，中科院北京纳米能源与系统研究所首席科学家王中林科研团队设计出一系列摩擦发电机。

在两个薄片通过接触摩擦表面带电之后，再将这两个薄片表面分离，由于物体有保持电中性的倾向，因此通过电极层将这两个薄片与外电路连接，电子就会通过外电路在两个电极层之间流动，从而形成电流——依据这一原理，发电机可以将自然界中的微风、水流，甚至人体运动的机械能转化为电能。这种新型的摩擦发电机在保证发电效率的同时还成本低廉。

摩擦发电机和传统的“电磁感应式发电机”、“摩擦起电机”不同，摩擦发电机的核心在于两个重要的思路创新，一是摩擦起电和静电感应效应的耦合，二是薄层式电极的设计。记者了解到，因为采用了仅有微米级厚度的薄膜材料，整个器件可以具有柔软甚至透明的特性。

虽然最初摩擦发电机的输出电流和功率并不理想，但是在王中林团队的努力下，经过两年时间，该问题已经被成功克服。研究人员发现，摩擦发电机的两个工作部件在相互滑动的过程中，电极之间的电荷转移量可以通过材料表面有序图案化得到极大提高，并和图案密度呈准线性关系。

因此，他们设计出一种图案化阵列结构，使摩擦发电机的输出功率产生了质的飞跃。最新的摩擦发电装置由平面化的圆形定子和转子两部分组成，采用表面图案化的摩擦层和电极层，通过旋转式接触的驱动设计实现了1.5W的平均输出功率，获得了高达24%—50%的能量转化率。

与传统发电机相比较，摩擦发电机的输出具有高电压低电流的特性，正好可以与传统发电机的低电压高电流形成互补的发电方式。

同时，由于摩擦发电机采用的是质轻、价廉的有机薄膜，使其单位体积发电量是传统发电机的30至50倍，其单位质量的发电量则是传统发电机30至40倍，在输出功率密度上具有非常大的优势。目前，王中林团队正在耐用性上对摩擦发电机进行研发改善，现有的摩擦发电机在连续100万次转动的情况下使用效率依然没有衰减。

在中国科学院北京纳米能源与系统研究所，王中林向记者展示了摩擦发电机的发电效果：连在一起的两块薄片，轻轻一捏使其表面发生接触，松手后，终端相连的灯光便相继亮起。这种将机械能转化为电能的方式并不是第一次出现。

类似的按压式手电筒也是将机械能转化电能，它与摩擦发电机又有何不同？

从原理上说，按压式手电筒的发电过程依据的是传统的电磁感应式发电原理，通过手的按动提供机械能，驱动手电筒内部的齿轮发生旋转，从而带动线圈做切割磁力线的运动从而产生电流。这样的发电装置都必须内置磁铁以形成磁场，导致其体积和重量都相对较大，内部结构也比较复杂，而且其输出功率不高，属于功率较小的“微小电器”。而摩擦发电机采用的是又轻又薄的塑料薄膜，结构小巧、简单，并且通过摩擦表面的图案化设计，将输出电流提高到3毫安，这样不仅能够实现对手机等“小型电器”的实时供电，而且很容易通过多组摩擦发电机形成阵列的形式，实现大规模的能源供给。

通过将发电机和电力管理电路结合，研究人员还进一步开发出了一套完整的小型供电系统。该系统具有降阻抗、整流、储能和稳压等功能，能够提供恒压稳定的直流输出，从而为包括手机在内的多种常用电子产品提供实时电力或直接充电。目前的输出功率密度最高可达500瓦/平方米。

和传统的电磁发电机相比，摩擦发电机由于采用了材料表面起电的独特机理，具有一系列不可比拟的优势。首先，摩擦发电机由薄膜高分子材料和薄膜电极材料制成，具有极轻的重量和极小的体积，其能量密度和电磁发电机相比有着巨大的优势。因此，它特别适合于为便携式及穿戴式电子设备或无线传感阵列等小型电器提供电能。

通过带动微小的传感装置，可以实现自驱动的传感数据传输。例如在检测桥梁震动情况时，可将薄膜式摩擦发电机贴附于检测仪器上，桥梁振动的机械能可以驱动摩擦发电机发出电信号，该电信号即可被传输到检测仪器上作为监测信号使用，从而实现仪器的自助检测。

其次，摩擦发电机的制作材料均为大规模工业化原料，加之其结构简单，制作成型简便，使其制作成本大大低于其他类型的发电机，为其广泛应用提供了极为有利的条件。对于普通人，摩擦发电机带来的最大便利有可能是移动通信。

摩擦发电机可以通过收集人运动时的机械能将其转化成电能。例如，人们可以将摩擦发电机安装到鞋子上，或者腿上。在人走动的时候，脚部对鞋底的按压或腿的晃动等动作就会通过摩擦发电机转换成电流，将这些电流收集起来并通过电池进行存储，就实现了对电池的充电。走路速度快，充电的速度就快一些，走路速度慢，充电的速度就慢一些，但是这并不影响最终的使用效果。这种充电过程无需人们额外做功，只要按照正常的节奏做日常的动作即可，使用将会非常方便。

最后，摩擦发电机的独特结构为收集两物体间的相互滑动提供了可行甚至唯一的方案，这也是传统发电机所不能比拟的。不仅如此，摩擦发电机还具有大规模收集和转化自然界中机械能的潜力，有望成为绿色能源供给的全新途径。[!--empirenews.page--]

“收集自然界中的机械能是摩擦发电机最大的设想。”王中林介绍，要收集海水浮动的机械能并不十分容易，随着风向的变化、潮汐的涨落，海水的流动是无法控制的。因此，虽然人们都知道海水中蕴藏着巨大的能量，但是至今仍没有一种合适的办法对其进行收集。对此，王中林认为摩擦发电机或许能够解决这个问题，在幅面1平方公里、深5米的海水中，每隔10厘米放置一个球形摩擦发电机。按照每个球形摩擦发电机的输出功率为1毫瓦计算，海水一天24小时昼夜不停地流动，理论上可持续发出近100万瓦的电，能够点亮10万盏电灯。以此类推，如果大规模的将这种装置置于海中，其发电量将十分可观，当摩擦发电机的覆盖面积达到2万平方公里，其发电量可以与三峡大坝的发电量相媲美。海水浮动的机械能是十分稳定的， 它在昼夜或季节变化时浮动不是太大。

“对于寻找未来能源的人类，这也许是一个非常好的选择。”王中林说。(科技日报)