科研人員制出集成一體化摩擦-電磁混合發電機

電磁感應發電機是目前電力供應的主要發電方式，但是電磁感應發電機在低頻的條件下輸出功率較低，將機械能轉化為電能的效率仍有一定的提升空間。近年來，作為新時代能源的摩擦納米發電機在收集低頻機械能方面取得了令人矚目的成就。低成本、製備簡單的摩擦納米發電機利用摩擦起電和靜電感應效應，能高效地將低頻機械能轉化為電能。

因此，將摩擦納米發電機和電磁感應發電機相結合，可以彌補電磁感應發電機在低頻下收集能量的不足，而且具有進一步提高能量轉化效率的潛在價值。然而，兩者之間的性質有很大的不同。摩擦納米發電機相當於一個電流源，電磁感應發電機相當於一個電壓源，兩者的內阻相差很大。對於混合發電機來說，只有當兩種發電機在內阻匹配的工作條件下才能達到最大的輸出功率。所以，如何解決摩擦納米發電機和電磁感應發電機之間阻抗匹配的問題並集成化成為混合發電機研究的難點。

針對以上問題，在科學院北京納米能源與系統研究所所長、中科院外籍院士王中林和研究員李從舉的指導下，碩士研究所曹冉等人得靈感於商業化電磁感應發電機的結構，製備出一種旋轉套筒式摩擦-電磁混合發電機，將摩擦納米發電機和電磁感應發電機高度集成在一起。在不影響電磁感應發電機工作的前提下，利用摩擦納米發電機進一步收集轉動的機械能，實現了對機械能的高效收集。此外，該混合發電機在僅僅使用商業變壓器的條件下就實現了摩擦納米發電機和電磁感應發電機的阻抗匹配，極大減少了能量在複雜管理電路上的損耗。

實驗結果表明，摩擦納米發電機和電磁感應發電機在變壓器的作用下可以高效結合在一起：在250 rmp的速度下，混合發電機的匹配內阻為8kΩ，輸出功率高達14 mW。該旋轉套筒式摩擦-電磁混合發電機不僅可以收集環境中譬如風能、水能、轉動能等的機械能，而且可結合目前商業的電磁感應發電機裝置提高低頻機械能的利用效率，有很大的實用價值和巨大的商業化前景。

相關研究成果發表在近期的ACS nano（DOI: 10.1021/acsnano.7b03683）上。

(a)旋轉套筒式摩擦納米發電機結構示意圖。(b)摩擦納米發電機和電磁感應發電機實現阻抗匹配。