近幾年,由于受全球氣候異常變化、人類活動頻繁等因素的影響,森林大火出現(xiàn)的頻率有迅速增加的趨勢,這對地球生態(tài)環(huán)境和人類生命財產(chǎn)安全構(gòu)成巨大威脅。如果能在火情出現(xiàn)的早期階段及時準確的報告森林火災出現(xiàn)的具體位置和狀況,將有助于消防人員及時采取措施,最大限度降低森林火災的蔓延,從而避免造成巨大生態(tài)破壞和生命財產(chǎn)損失。

目前,主要的森林防火措施仍舊以地面巡邏、監(jiān)視塔、衛(wèi)星監(jiān)控等為主。這些方法,需要巨大投入(財力、物力、人力)但卻收效有限,在實踐中取得效果并不理想。最近發(fā)生在澳洲、北美和南美的延綿數(shù)月的森林大火就是明證。因此,開發(fā)智能火災監(jiān)控系統(tǒng)來實現(xiàn)大范圍的實時監(jiān)測變得十分重要。近來,許多智能傳感器已被用于森林火災監(jiān)測。

然而,大多數(shù)火災傳感器系統(tǒng)需要輔以電池來工作,不僅監(jiān)測時間有限、維護成本高,還可能產(chǎn)生潛在的環(huán)境危害。因此,如何實現(xiàn)森林環(huán)境中的自供能監(jiān)測系統(tǒng)變得尤為迫切。雖然太陽能電池技術已經(jīng)比較成熟,但由于樹木植被覆蓋,太陽能電池很難在森林環(huán)境中發(fā)揮作用。摩擦電納米發(fā)電機(TENG)作為一種全新的能源收集技術,具有質(zhì)量輕、造價低、制備簡單等特點,可以有效地將環(huán)境與人體運動產(chǎn)生的機械能直接轉(zhuǎn)化為電能。迄今為止,科學家們已經(jīng)制造出各種具有不同結(jié)構(gòu)設計和材料選擇的TENG,用于收集周圍環(huán)境中的機械能(振動、風、雨滴和海浪等),但尚未在森林環(huán)境應用中受到足夠重視。

近日,美國密歇根州立大學曹長勇教授團隊開發(fā)了一種多層筒狀結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(Multilayered cylindrical Triboelectric nanogenerator, MC-TENG)來實現(xiàn)高性能的樹枝振動能量收集,使其可以用于森林環(huán)境條件下火災報警系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的供能裝置。該設計采用滑動摩擦起電模式,由兩個彈性連接的固定和滑動套層組成。

微風吹動樹枝晃動,而引起的樹枝的微小搖動可以被TENG有效收集轉(zhuǎn)化成電能,并存儲到集成的微超級電容器中來為火災傳感器供電。在該項研究中,團隊成員對套層結(jié)構(gòu)、層數(shù)、振幅和頻率、振動方向和懸掛高度等參數(shù)進項了優(yōu)化。結(jié)果表明,該MC-TENG可以有效的收集樹枝振動的能量,其平均輸出功率可達1.2 mW,因此可以長時間驅(qū)動溫度傳感器和一氧化碳傳感器連續(xù)工作。該項研究為發(fā)展新型的便攜式和可持續(xù)的森林火災警報系統(tǒng)提供了新的思路和方法,具有廣闊的應用前景。

曹長勇教授團隊《AFM》:基于多層筒狀結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機的自供能森林火災報警和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)
圖1. MC-TENG的設計結(jié)構(gòu)和工作原理:(a)MC-TENG收集樹枝振動能量示意圖;(b)MC-TENG上下套層照片;(c)PTFE表面注射電子示意圖;(d)MC-TENG的工作原理。

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曹長勇教授團隊《AFM》:基于多層筒狀結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機的自供能森林火災報警和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)
圖2. 套筒結(jié)構(gòu)對MC-TENG性能的影響:(a)具有不同結(jié)構(gòu)層數(shù)的MC-TENG的原型設計圖;(b, c)基于不同結(jié)構(gòu)層數(shù)的MC-TENG的開路電壓和短路電流;(d)開路電壓和短路電流與層數(shù)關系;(e)不同層數(shù)的MC-TENGs充電曲線。

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曹長勇教授團隊《AFM》:基于多層筒狀結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機的自供能森林火災報警和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)
圖3. MC-TENG器件的輸出性能測試:(a-c)MC-TENG在不同振動幅度下的開路電壓,短路電流和轉(zhuǎn)移電荷;(d)MC-TENG在不同振動頻率下的輸出性能;(e)MC-TENG擺動模式示意圖;(f)1 Hz頻率下,MC-TENG在不同滑動距離下的輸出性能;(g)在30 mm懸掛高度下,MC-TENG在不同擺動頻率下的輸出性能;(h, i)MC-TENG在不同擺動方向下的輸出電壓和電荷。

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曹長勇教授團隊《AFM》:基于多層筒狀結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機的自供能森林火災報警和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)
圖4. MC-TENG的輸出功率和充電性能:(a, b)MC-TENG在不同振動頻率下的峰值輸出功率和平均輸出功率;(c)給不同電容充電的充電曲線;(d)在不同頻率刺激下,MC-TENG在相同時間內(nèi)充10 μF電容的電壓值;(e)MC-TENG點亮一個由LED燈組成的MSU Logo圖形;(f)MC-TENG的穩(wěn)定性測試。

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曹長勇教授團隊《AFM》:基于多層筒狀結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機的自供能森林火災報警和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)
圖5. 基于MC-TENG的自驅(qū)動火警系統(tǒng)演示:(a)MC-TENG和集成的打印超級電容器;(b)不同掃描速率下超級電容器的伏安(CV)曲線;(c)不同電流密度下超級電容的充放電曲線;(d)單個和三個串聯(lián)超級電容器的充放電曲線對比;(e)超級電容的電化學穩(wěn)定性測試;(f)自驅(qū)動火警系統(tǒng)電路圖;(g)MC-TENG供能的CO傳感器輸出信號;(h)利用MC-TENG為超級電容器充電并驅(qū)動電子溫度傳感器。

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以上相關成果發(fā)表在國際著名期刊Advanced Functional Materials上。論文第一作者為美國密歇根州立大學博士后逄堯堃博士,通訊作者為密歇根州立大學曹長勇教授。密歇根州立大學Yiming Deng教授、Andre Benard教授Nizar Lajnef教授等為論文共同作者。

參考文獻:

Yaokun Pang, Shoue Chen, Junchi An, Keliang Wang, Yiming Deng, Andre Benard, Nizar Lajnef, Changyong Cao*. Multilayered Cylindrical Triboelectric Nanogenerator to Harvest Kinetic Energy of Tree Branches for Monitoring Environment Condition and Forest Fire, Advanced Functional Materials, 202003598, 2020.

全文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202003598

相關鏈接:

https://www.advancedsciencenews.com/self-powered-forest-fire-detection/

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/06/200624151532.htm

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