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    重庆幸运农场综合走势图 百度:详解第一代纳米发电智能轮胎

    国内机构联合轮胎企业,制作出具有智能传感功能的第一代摩擦纳米发电绿色智能轮胎。

    重庆幸运农场有陷阱 www.vmgrup.net 近日,国内研究机构联合轮胎企业,制作出具有智能传感功能的第一代摩擦纳米发电绿色智能轮胎。

    轮胎世界网获悉,这款轮胎由北京化工大学张立群教授团队,中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林教授团队,携手山东玲珑轮胎股份有限公司联合研发。

    据介绍,该产品基于摩擦纳米发电机,结合白炭黑绿色轮胎的特性来发电,可以回收轮胎和地面摩擦产生的能量。

    以下为第一代摩擦纳米发电绿色智能轮胎的介绍。

    什么是摩擦纳米发电机?

    摩擦纳米发电机最早在2012年由王中林教授提出,主要原理包括静电感应效应和摩擦起电效应。

    图1:摩擦纳米发电机的工作原理

    当橡胶材料(图中灰色部分)和铜(图中红色)接触时,由于两者对电子的吸引能力不同,在界面上会发生电荷的分离。铜表面的一部分电子,流入到橡胶材料表面,使得橡胶材料带负电,铜带正电。然后,铜板和橡胶开始分离,由于橡胶材料是绝缘的,因此表面的电荷会被固定下来。由于铜板和橡胶背后的铜板是连通的,二者电势必须相等。因此,有一部分的正电荷,会从橡胶右边的铜板中流向橡胶左边的铜板,如图中红色剪头所示。

    当右侧铜板运动到最大位移处停止,然后再次接近铜板,此时由于橡胶表面负电荷的吸引,正电荷重新流回到右侧铜板,直至接触后铜版中的正电荷和橡胶表面的负电荷相等。

    在这个过程中,电流流向发生了改变,因此摩擦纳米发电机得到的电流是交流电,而不是直流电。

    其中,机械作用力由于分离电荷,使得电荷的电势发生了变化,完成了机械能向电能的转化,这就是接触分离式摩擦发电机(图2-a)的基本原理。

    除了这种最基本的工作模式外,摩擦纳米发电机还有另外三种工作模式,分别是滑动模式(图2-b),单电极模式(图2-c),自由摩擦层模式(图2-d),如图2所示。

    图2:摩擦纳米发电机的四种基本模式

    摩擦纳米发电机是一种新型的能源技术,相比较于传统的电磁发电机,摩擦纳米发电机具有使用范围广,工作效率高,体积轻便,容易制造等众多优点。因此,摩擦纳米发电机在能量回收和新能源利用方面,有较多的应用。

    同时,由于摩擦纳米发电机对环境的较为敏感,环境的变化很容易引起输出电流的变化,因为摩擦发电机还总是被用于智能自驱动传感器。

    所谓的自驱动传感器,是相对于普通的传感器而言的。普通的传感器均包含电源装置,通过电源供应能量使其工作。自驱动传感器指的是能够从工作环境中攫取能量,通过这部分能量来工作的传感器。这种传感器具有免维护,长期使用成本低等优势。

    在未来的物联网和人工智能时代,需要海量传感器的背景下,这种不需要更换电源或者充电维护的传感器,无疑是最佳的选择。

    为什么选择白炭黑轮胎?

    在轮胎制造行业,有一个困扰很久的问题,就是轮胎的魔三角。由于橡胶材料的固有属性,使得轮胎在耐磨性、抗湿滑和滚动阻力三者之间很难兼顾。

    白炭黑材料作为新一代的橡胶纳米补强填料,相比炭黑材料在提高抗湿滑和降低滚阻方面都有一定的优势。这使得白炭黑轮胎在具有优秀节油性能的同时,还可以兼顾其他性能。

    但是,白炭黑轮胎由于具有较强的静电,在实际使用中一直需要加入部分炭黑,以通过轮胎电阻测试。

    这一独特的缺点,在和摩擦发电机结合以后却变成了优点,可以用来回收部分被摩擦损耗掉的机械能。

    发电轮胎的工作原理是什么?

    由于轮胎在工作过程中的运动状态,以及上文提到的四种基本模式都不相同,因此,发电轮胎中的摩擦纳米发电机,需要结合轮胎的实际工作状况单独设计。

    工作人员将导电层置于胎面层中间,使用轮胎胎面作为摩擦纳米发电机的摩擦层,将导电层内置其中。

    这样,在轮胎成型的步骤中,可以使用和普通轮胎相同的工艺流程。发电轮胎的结构如图3所示。

    图3:摩擦纳米发电轮胎的结构及测试实物图

    在发电轮胎中,内置于轮胎胎面下的导电层,在轮胎滚动的过程中,由于和地面的距离不断地发生改变,进而发生电势的变化,当导电层接地或者和电势较低的地方相连后,就会形成交流的电信号。

    这是一种结合了单电极模式和接触分离模式的工作模式。这就是摩擦纳米发电轮胎的工作原理。

    为什么可以叫做智能轮胎?

    由于摩擦纳米发电机对外界环境具有很高的敏感度,外界环境的变化,会引起摩擦纳米发电机输出电流的变化,因为摩擦纳米发电机可以作为传感器使用。

    第一代发电智能轮胎就可以作为胎压传感器使用。由于其不需要外界供电,可以自发从环境中攫取能量的特点,可以做到无源免维护的自驱动传感(self-powered sensors)。

    同时,由于导电层均匀的分布在轮胎中,电流信号的间隔时间就是轮胎转动三分之一圈的时间,因此,车辆的速度信号,也可以从发电轮胎的信号中得到。

    这种摩擦纳米发电轮胎所具有的的自驱动传感性能,同以往的普通轮胎或者加入有源传感器的普通轮胎有着很大不同。

    在这种自驱动传感器中,轮胎工作时会产生传感信号,信号同时反映了轮胎的状态,相当于轮胎自己“告诉”了他的状态,而不是使用者去主动读取。

    未来,无人驾驶的进一步普及和成熟,主要是建立在众多的传感器和程序算法的基础上,而轮胎作为汽车重要组成部分和唯一直接接触地面的部件,毫无疑问,轮胎中的智能传感装置也是极其重要的。

    无论从节能减排还是从工程维护成本的考量来说,这都具有重大意义和巨大的潜在应用价值。

    发电轮胎能发多少电?

    9平方厘米该种轮胎胎面材料,在实验室就可以得到21μA的电流输出和150V的电压。

    在实际使用中,由于轮胎的高速滚动,具体的数值较难测量。

    考虑到这是第一代产品,性能上还有很多的优化空间,在材料和结构上还有较多可以改进的地方。

    如果按照目前的较高数值500Wm2估算,每辆车每年可以节约800kJ能量。如果全世界所有车辆换装这种发电轮胎,相当于可以节约2.5*10^8 kg汽油。

    图4:发电轮胎制备过程

    图5:发电轮胎实物图

    图6:发电轮胎测试中

    图7:发电轮胎发电效果特写

    (本文由轮胎世界网整理,转载请注明来源:轮胎世界网)

    文章来源:轮胎世界网

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