世界最小的發電機

　　今天小編就為大家介紹，希望大家喜歡。

　　美國佐治亞理工學院教授王中林等在4月14出版的《科學》雜誌上報告說，他們成功地在奈米尺度範圍內將機械能轉換成電能，研製出世界上最小的發電機——奈米發電機。國際奈米技術領軍人物、哈佛大學教授Charles Lieber說：“該論文所描述的工作極其令人振奮，因為它提出瞭解決奈米技術中一個關鍵問題的方案，那就是如何為許多研究組發明的奈米器件提供電力的問題。王教授利用他先創的氧化鋅奈米線將機械能轉化為電能，在這個問題上顯示了他巨大的創造性。”美國西北太平洋國家實驗室的材料學家劉俊說：“這是奈米技術領域的一項重大突破，它的影響將是深刻的、深遠的。”

　　正在北京的王中林在接受《科學時報》採訪時說，“這是我在這個研究領域10多年最讓我激動的發明”。 他認為這是國際奈米領域最讓人激動的重大發現，它一定會引起整個奈米學界對奈米電源方面研究的巨大熱潮。

　　作為佐治亞理工學院校董事講座教授和工學院講座教授，王中林同時也是北京大學工學院先進材料和奈米技術系主任、中國國家奈米科學中心海外主任，這項工作是他和博士生宋金會共同完成的。

　　因為具有尺寸微小、功耗小、反應靈敏等巨集觀器件所不具有的獨特優勢，奈米器件一直是奈米學術界最前沿、最活躍的領域。如果能真正讓這些微小器件工作起來，那麼必須要給它們輸入電能，而只有實現了自帶電源的奈米器件才可被視為真正的奈米系統。又因為奈米系統具有微小而且可植入體內等特性，所以它的供電系統必須是小型化的。不過，目前的研究只是集中於奈米器件的本身，而沒有考慮為這些奈米器件輸入電源的問題。

　　發電是需要能量的。人在走路、呼吸時會產生能量，那麼能否將人體自身產生的能量轉化為奈米器件所需要的電能?王中林想到了這個主意，他說：“如果有一種微型的裝置能將生物體內的生物能量轉化為電能輸送給奈米器件，同步實現器件和電源的小型化，是最為理想的事。”

　　王中林和宋金會利用豎直結構的氧化鋅奈米線的獨特性質，在原子力顯微鏡下研製出將機械能轉化為電能的奈米發電機，這是目前世界上最小的發電裝置。王中林解釋說，壓電效應是一種由材料中的力學形變而導致的電荷極化的效應，它是實現力電耦合和感測的重要物理過程，而氧化鋅奈米線有容易彎曲的特性，可以在奈米線內外部分別造成壓縮和拉伸;豎直生長的氧化鋅是纖鋅礦結構，同時具有半導體效能和壓電效應。氧化鋅奈米線的這種獨特結構導致了彎曲奈米線的內外表面產生極化電荷，他們用導電原子力顯微鏡的探針彎曲單個氧化鋅奈米線，輸入機械能，再利用氧化鋅的半導體性質將其奈米線的壓電特性耦合起來，從而將電能暫時儲存在奈米線內，然後再用導電的原子力顯微鏡探針接通這一電源，向外界輸電，從而完美地實現了納米尺度的發電功能。他說：“更重要的是，這一奈米發電機竟然能達到17%能30%的發電效率，為自發電的奈米器件奠定了物理基礎。”

　　王中林早在七年前就認識到氧化鋅獨特的半導體、光學和生物學效能，具有其他奈米材料不可替代的作用，因此，他的研究小組一直致力於以氧化鋅為基礎的奈米材料的合成和應用研究。2001年，他們在《科學》雜誌上報告首次合成氧化鋅半導體材料帶，這篇論文已被引用1100多次。之後，他們又研製出奈米環、奈米螺旋等器件。

　　王中林相信奈米發電機無論在生物醫學、軍事、無線通訊和無線感測方面都將有廣泛的重要應用。他說：“這一發明可以整合奈米器件，實現真正意義上的奈米系統，它可以收集機械能，比如人體運動、肌肉收縮、血液流動等所產生的能量;震動能，比如聲波和超聲波產生的能量;流體能量，比如體液流動、血液流動和動脈收縮產生的能量，並將這些能量轉化為電能提供給奈米器件。這一奈米發電機所產生的電能足夠供給奈米器件或系統所需，從而讓奈米器件或奈米機器人實現能量自供。”

　　基於規則的氧化鋅奈米線的奈米發電機。***A***在氧化鋁襯底上生長的氧化鋅奈米線的掃描電子顯微鏡影象。 ***B***在導電的原子力顯微鏡針尖作用下，奈米線利用壓電效應發電的示意圖。 ***C***當原子力顯微鏡探針掃過奈米線陣列時，壓電電荷釋放的三維電壓/電流訊號圖。

　　發電機的工作原理

　　發電機主要由定子、轉子、端蓋.電刷.機座及軸承等部件構成。

　　定子由機座.定子鐵芯、線包繞組、以及固定這些部分的其他結構件組成。

　　轉子由轉子鐵芯、轉子磁極***有磁扼.磁極繞組***、滑環、***又稱銅環.集電環***、風扇及轉軸等部件組成。

　　通過軸承、機座及端蓋將發電機的定子，轉子連線組裝起來，使轉子能在定子中旋轉，通過滑環通入一定勵磁電流，使轉子成為一個旋轉磁場，定子線圈做切割磁力線的運動，從而產生感應電勢，通過接線端子引出，接在迴路中，便產生了電流。由於電刷與轉子相連處有斷路處，使轉子按一定方向轉動，產生交變電流所以家庭電路等電路中是交變電流，簡稱交流電。中國電網輸出電流的頻率是50赫茲。

　　汽輪發電機　與汽輪機配套的發電機。為了得到較高的效率，汽輪機一般做成高速的，通常為3000轉/分***頻率為50赫***或3600轉/分***頻率為60赫***。核電站中汽輪機轉速較低，但也在1500轉/分以上。高速汽輪發電機為了減少因離心力而產生的機械應力以及降低風摩耗，轉子直徑一般做得比較小，長度比較大，即採用細長的轉子。特別是在3000轉/分以上的大容量高速機組，由於材料強度的關係，轉子直徑受到嚴格的限制，一般不能超過 1.2米。而轉子本體的長度又受到臨界速度的限制。當本體長度達到直徑的6倍以上時，轉子的第二臨界速度將接近於電機的運轉速度，執行中可能發生較大的振動。所以大型高速汽輪發電機轉子的尺寸受到嚴格的限制。10萬千瓦左右的空冷電機其轉子尺寸已達到上述的極限尺寸，要再增大電機容量，只有靠增加電機的電磁負荷來實現。為此必須加強電機的冷卻。所以 5～10萬千瓦以上的汽輪發電機都採用了冷卻效果較好的氫冷或水冷技術。70年代以來，汽輪發電機的最大容量已達到130～150萬千瓦。從1986年以來，在高臨界溫度超導電材料研究方面取得了重大突破。超導技術可望在汽輪發電機中得到應用，這將在汽輪發電機發展史上產生一個新的飛躍。