新知 | 微风也能发电，手掌大的“风力收割机”收集巨大能量
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环球零碳
碳中和领域的《新青年》
撰文 | Shushu
编辑 | 郭郭
→这是《环球零碳》的第377篇原创
人类对风能的利用已有几千年的历史，最初主要是利用风力提水灌溉及海水晒盐和风力驱动的磨坊。这在当时是人类利用自然界的力量，利用风力和水力代替人力和畜力来驱动工作机械，提高了生产力。
现在，风力发电作为一种效率很高且碳足迹极低的发电形式，是可再生能源发展的重要选择。风力发电从功率上来区分，超过750KW的为大型风力发电，小于的则为中小型风力发电。
在我国，低于100KW以下的风力发电设备被称为小型风力发电设备，主要用于家庭及无电地区的农村电力建设、移动通信等。按照其构造原理及适用环境分为水平轴式和垂直轴式两种。
其中，水平轴式风力机转速快，噪音大，但发电功率系数较大，其发电环境要求也较高，需要将发电设备安装在年平均达每秒5米到每秒15米的风场环境中，才可拥有最佳发电性能。
目前，新加坡南洋理工大学科学家们开发出一种低成本的、比小型风力发电还小的微型“风力收割机”，可在2米/秒的风中，捕捉微风般柔和的风能，将其储存为电能。
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成本低廉，具备强大的能量收集能力
该风力收割机包括一个悬臂梁主机、一个挡板和一个具有旋转自由度的中间板，三电层和电极被放置在挡板和中板的表面之间，尺寸仅为15厘米×20厘米。
它在主梁的自由端固定一个活动体，以引发振动。当收割机暴露在风流中时，它开始振动，导致其板接近并离开塞子。这将在薄膜上形成电荷，并在它们从铝箔流向铜薄膜时形成电流，这都是基于三电的转换机制形成的。
它的主体由纤维环氧树脂制成，这是一种高度耐用的聚合物，主要附件与风相互作用，由廉价材料制成，如铜、铝箔和聚四氟乙烯。
图说：风力收割机简单结构示意图
来源：[2]
为了研究风力收割机的动态行为，研究团队制定了一个分布式耦合的航空-电子-机械模型，发现中板和挡板之间的冲击对风力收割机的能量产生性能有很大影响。刚性冲击可能导致接触面的不规则和冲动性分离，从而导致零星的电压输出。
通过多个实验，风力收割机在风速为10米/秒时可以产生12.8伏的均方根电压，最大功率为290微瓦。即使在低风速下，如6米/秒，最大功率也能达到196微瓦，甚至低至2米/秒的风中时，风力收割机也可产生电力，为商业传感器提供电量。
这表明风力收割机具有强大的能量收集能力。
据该研究负责人、南洋理工大学土木与环境工程学院结构工程师杨耀文教授介绍：“这款‘风力收割机’也可以作为小型锂离子电池的潜在替代品，因为其能自给自足，只需要偶尔维护，不使用重金属，因此不会造成环境问题。最新研究有助于减少电子垃圾，降低其对环境的影响。”
目前，研究团队计划进一步改善该设备的能量存储能力，并用不同材料进行实验，以提高其输出功率。
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设备小，将取代为LED灯和传感器供电的电池
为了进一步研发风力收割机，研究人员也总结出以下可研究应用的方向：
（1）悬臂梁在风力收割机设计中具有广泛的灵活性。通过引入具有一个旋转自由度的中间板来确保完全接触，这将进一步应用于风能收割。它帮助证明了其低风速能量采集的能力。
（2）三对接触面之间的撞击接触状态，支配着采集器的能量产生性能。与传统的块状参数模型不同，风力收割机采用一个关于航空-电子-机械耦合效应和冲击效应的分布式参数模型。该模型可以捕捉到由于冲击造成的自然频率偏移。
（3） 运用大量的参数化研究发现，接触刚度对采集器的能量生成性能有更突出的影响。当巨大的冲击发生时，可以观察到不对称的电压输出。冲击的强烈非线性和能量损失导致每个周期的负电压输出显著下降。然而，适当的冲击有利于三对接触面完全接触，从而提高风力收割机的性能。因此，冲击在收割机的能量转换性能中起着关键作用。
（4）风力收割机在电容器充电和LED照明方面表现出良好的性能，显示出它作为能源发电机为电子器件供电的潜力。
实验发现，如果在风速为4米/秒的情况下，该设备可持续为40个发光二极管（LED）供电，并触发传感器设备，为其提供足够的电力，以无线方式将室温信息发送到手机上。
这表明，该“风力收割机”不仅可以发电，为设备持续供电，还可以将多余电量储存起来，以便在无风的情况下为设备长时间供电，将来有可能取代为LED灯和健康监测传感器供电的电池。
由于风力收割机尺寸小，可以轻松安装于桥梁和摩天大楼，监测建筑结构的状况，非常适合城市环境，以提醒工程师注意诸如摩天大楼和桥梁等大都市建筑的不稳定或物理损坏等问题。即使在雷暴环境中，它的使用性能也不受影响。
注：首图来源于[4]
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