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詳解第一代納米發電智能輪胎

國內機構聯合輪胎企業,制作出具有智能傳感功能的第一代摩擦納米發電綠色智能輪胎。

近日,國內研究機構聯合輪胎企業,制作出具有智能傳感功能的第一代摩擦納米發電綠色智能輪胎。

輪胎世界網獲悉,這款輪胎由北京化工大學張立群教授團隊,中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林教授團隊,攜手山東玲瓏輪胎股份有限公司聯合研發。

據介紹,該產品基于摩擦納米發電機,結合白炭黑綠色輪胎的特性來發電,可以回收輪胎和地面摩擦產生的能量。

以下為第一代摩擦納米發電綠色智能輪胎的介紹。

什么是摩擦納米發電機?

摩擦納米發電機最早在2012年由王中林教授提出,主要原理包括靜電感應效應和摩擦起電效應。

圖1:摩擦納米發電機的工作原理

當橡膠材料(圖中灰色部分)和銅(圖中紅色)接觸時,由于兩者對電子的吸引能力不同,在界面上會發生電荷的分離。銅表面的一部分電子,流入到橡膠材料表面,使得橡膠材料帶負電,銅帶正電。然后,銅板和橡膠開始分離,由于橡膠材料是絕緣的,因此表面的電荷會被固定下來。由于銅板和橡膠背后的銅板是連通的,二者電勢必須相等。因此,有一部分的正電荷,會從橡膠右邊的銅板中流向橡膠左邊的銅板,如圖中紅色剪頭所示。

當右側銅板運動到最大位移處停止,然后再次接近銅板,此時由于橡膠表面負電荷的吸引,正電荷重新流回到右側銅板,直至接觸后銅版中的正電荷和橡膠表面的負電荷相等。

在這個過程中,電流流向發生了改變,因此摩擦納米發電機得到的電流是交流電,而不是直流電。

其中,機械作用力由于分離電荷,使得電荷的電勢發生了變化,完成了機械能向電能的轉化,這就是接觸分離式摩擦發電機(圖2-a)的基本原理。

除了這種最基本的工作模式外,摩擦納米發電機還有另外三種工作模式,分別是滑動模式(圖2-b),單電極模式(圖2-c),自由摩擦層模式(圖2-d),如圖2所示。

圖2:摩擦納米發電機的四種基本模式

摩擦納米發電機是一種新型的能源技術,相比較于傳統的電磁發電機,摩擦納米發電機具有使用范圍廣,工作效率高,體積輕便,容易制造等眾多優點。因此,摩擦納米發電機在能量回收和新能源利用方面,有較多的應用。

同時,由于摩擦納米發電機對環境的較為敏感,環境的變化很容易引起輸出電流的變化,因為摩擦發電機還總是被用于智能自驅動傳感器。

所謂的自驅動傳感器,是相對于普通的傳感器而言的。普通的傳感器均包含電源裝置,通過電源供應能量使其工作。自驅動傳感器指的是能夠從工作環境中攫取能量,通過這部分能量來工作的傳感器。這種傳感器具有免維護,長期使用成本低等優勢。

在未來的物聯網和人工智能時代,需要海量傳感器的背景下,這種不需要更換電源或者充電維護的傳感器,無疑是最佳的選擇。

為什么選擇白炭黑輪胎?

在輪胎制造行業,有一個困擾很久的問題,就是輪胎的魔三角。由于橡膠材料的固有屬性,使得輪胎在耐磨性、抗濕滑和滾動阻力三者之間很難兼顧。

白炭黑材料作為新一代的橡膠納米補強填料,相比炭黑材料在提高抗濕滑和降低滾阻方面都有一定的優勢。這使得白炭黑輪胎在具有優秀節油性能的同時,還可以兼顧其他性能。

但是,白炭黑輪胎由于具有較強的靜電,在實際使用中一直需要加入部分炭黑,以通過輪胎電阻測試。

這一獨特的缺點,在和摩擦發電機結合以后卻變成了優點,可以用來回收部分被摩擦損耗掉的機械能。

發電輪胎的工作原理是什么?

由于輪胎在工作過程中的運動狀態,以及上文提到的四種基本模式都不相同,因此,發電輪胎中的摩擦納米發電機,需要結合輪胎的實際工作狀況單獨設計。

工作人員將導電層置于胎面層中間,使用輪胎胎面作為摩擦納米發電機的摩擦層,將導電層內置其中。

這樣,在輪胎成型的步驟中,可以使用和普通輪胎相同的工藝流程。發電輪胎的結構如圖3所示。

圖3:摩擦納米發電輪胎的結構及測試實物圖

在發電輪胎中,內置于輪胎胎面下的導電層,在輪胎滾動的過程中,由于和地面的距離不斷地發生改變,進而發生電勢的變化,當導電層接地或者和電勢較低的地方相連后,就會形成交流的電信號。

這是一種結合了單電極模式和接觸分離模式的工作模式。這就是摩擦納米發電輪胎的工作原理。

為什么可以叫做智能輪胎?

由于摩擦納米發電機對外界環境具有很高的敏感度,外界環境的變化,會引起摩擦納米發電機輸出電流的變化,因為摩擦納米發電機可以作為傳感器使用。

第一代發電智能輪胎就可以作為胎壓傳感器使用。由于其不需要外界供電,可以自發從環境中攫取能量的特點,可以做到無源免維護的自驅動傳感(self-powered sensors)。

同時,由于導電層均勻的分布在輪胎中,電流信號的間隔時間就是輪胎轉動三分之一圈的時間,因此,車輛的速度信號,也可以從發電輪胎的信號中得到。

這種摩擦納米發電輪胎所具有的的自驅動傳感性能,同以往的普通輪胎或者加入有源傳感器的普通輪胎有著很大不同。

在這種自驅動傳感器中,輪胎工作時會產生傳感信號,信號同時反映了輪胎的狀態,相當于輪胎自己“告訴”了他的狀態,而不是使用者去主動讀取。

未來,無人駕駛的進一步普及和成熟,主要是建立在眾多的傳感器和程序算法的基礎上,而輪胎作為汽車重要組成部分和唯一直接接觸地面的部件,毫無疑問,輪胎中的智能傳感裝置也是極其重要的。

無論從節能減排還是從工程維護成本的考量來說,這都具有重大意義和巨大的潛在應用價值。

發電輪胎能發多少電?

9平方厘米該種輪胎胎面材料,在實驗室就可以得到21μA的電流輸出和150V的電壓。

在實際使用中,由于輪胎的高速滾動,具體的數值較難測量。

考慮到這是第一代產品,性能上還有很多的優化空間,在材料和結構上還有較多可以改進的地方。

如果按照目前的較高數值500Wm2估算,每輛車每年可以節約800kJ能量。如果全世界所有車輛換裝這種發電輪胎,相當于可以節約2.5*10^8 kg汽油。

圖4:發電輪胎制備過程

圖5:發電輪胎實物圖

圖6:發電輪胎測試中

圖7:發電輪胎發電效果特寫

(本文由輪胎世界網整理,轉載請注明來源:輪胎世界網)

文章來源:輪胎世界網

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