世界最小的发电机

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世界最小的发电机

美国佐治亚理工学院教授王中林等在4月14出版的《科学》杂志上报告说，他们成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电机——纳米发电机。国际纳米技术领军人物、哈佛大学教授Charles Lieber说：“该论文所描述的工作极其令人振奋，因为它提出了解决纳米技术中一个关键问题的方案，那就是如何为许多研究组发明的纳米器件提供电力的问题。王教授利用他先创的氧化锌纳米线将机械能转化为电能，在这个问题上显示了他巨大的创造性。”美国西北太平洋国家实验室的材料学家刘俊说：“这是纳米技术领域的一项重大突破，它的影响将是深刻的、深远的。”

正在北京的王中林在接受《科学时报》采访时说，“这是我在这个研究领域10多年最让我激动的发明”。 他认为这是国际纳米领域最让人激动的重大发现，它一定会引起整个纳米学界对纳米电源方面研究的巨大热潮。

作为佐治亚理工学院校董事讲座教授和工学院讲座教授，王中林同时也是北京大学工学院先进材料和纳米技术系主任、中国国家纳米科学中心海外主任，这项工作是他和博士生宋金会共同完成的。

因为具有尺寸微小、功耗小、反应灵敏等宏观器件所不具有的独特优势，纳米器件一直是纳米学术界最前沿、最活跃的领域。如果能真正让这些微小器件工作起来，那么必须要给它们输入电能，而只有实现了自带电源的纳米器件才可被视为真正的纳米系统。又因为纳米系统具有微小而且可植入体内等特性，所以它的供电系统必须是小型化的。不过，目前的研究只是集中于纳米器件的本身，而没有考虑为这些纳米器件输入电源的问题。

发电是需要能量的。人在走路、呼吸时会产生能量，那么能否将人体自身产生的能量转化为纳米器件所需要的电能?王中林想到了这个主意，他说：“如果有一种微型的装置能将生物体内的生物能量转化为电能输送给纳米器件，同步实现器件和电源的小型化，是最为理想的事。”

王中林和宋金会利用竖直结构的氧化锌纳米线的独特性质，在原子力显微镜下研制出将机械能转化为电能的纳米发电机，这是目前世界上最小的发电装置。王中林解释说，压电效应是一种由材料中的力学形变而导致的电荷极化的效应，它是实现力电耦合和传感的重要物理过程，而氧化锌纳米线有容易弯曲的特性，可以在纳米线内外部分别造成压缩和拉伸;竖直生长的氧化锌是纤锌矿结构，同时具有半导体性能和压电效应。氧化锌纳米线的这种独特结构导致了弯曲纳米线的内外表面产生极化电荷，他们用导电原子力显微镜的探针弯曲单个氧化锌纳米线，输入机械能，再利用氧化锌的半导体性质将其纳米线的压电特性耦合起来，从而将电能暂时储存在纳米线内，然后再用导电的原子力显微镜探针接通这一电源，向外界输电，从而完美地实现了纳米尺度的发电功能。他说：“更重要的是，这一纳米发电机竟然能达到17%能30%的发电效率，为自发电的纳米器件奠定了物理基础。”

王中林早在七年前就认识到氧化锌独特的半导体、光学和生物学性能，具有其他纳米材料不可替代的作用，因此，他的研究小组一直致力于以氧化锌为基础的纳米材料的合成和应用研究。2001年，他们在《科学》杂志上报告首次合成氧化锌半导体材料带，这篇论文已被引用1100多次。之后，他们又研制出纳米环、纳米螺旋等器件。

王中林相信纳米发电机无论在生物医学、军事、无线通信和无线传感方面都将有广泛的重要应用。他说：“这一发明可以整合纳米器件，实现真正意义上的纳米系统，它可以收集机械能，比如人体运动、肌肉收缩、血液流动等所产生的能量;震动能，比如声波和超声波产生的能量;流体能量，比如体液流动、血液流动和动脉收缩产生的能量，并将这些能量转化为电能提供给纳米器件。这一纳米发电机所产生的电能足够供给纳米器件或系统所需，从而让纳米器件或纳米机器人实现能量自供。”

基于规则的氧化锌纳米线的纳米发电机。(A)在氧化铝衬底上生长的氧化锌纳米线的扫描电子显微镜图像。 (B)在导电的原子力显微镜针尖作用下，纳米线利用压电效应发电的示意图。 (C)当原子力显微镜探针扫过纳米线阵列时，压电电荷释放的三维电压/电流信号图。

发电机的工作原理

发电机主要由定子、转子、端盖.电刷.机座及轴承等部件构成。

定子由机座.定子铁芯、线包绕组、以及固定这些部分的其他结构件组成。

转子由转子铁芯、转子磁极(有磁扼.磁极绕组)、滑环、(又称铜环.集电环)、风扇及转轴等部件组成。

通过轴承、机座及端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，通过滑环通入一定励磁电流，使转子成为一个旋转磁场，定子线圈做切割磁力线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。由于电刷与转子相连处有断路处，使转子按一定方向转动，产生交变电流所以家庭电路等电路中是交变电流，简称交流电。中国电网输出电流的频率是50赫兹。

汽轮发电机 与汽轮机配套的发电机。为了得到较高的效率，汽轮机一般做成高速的，通常为3000转/分(频率为50赫)或3600转/分(频率为60赫)。核电站中汽轮机转速较低，但也在1500转/分以上。高速汽轮发电机为了减少因离心力而产生的机械应力以及降低风摩耗，转子直径一般做得比较小，长度比较大，即采用细长的转子。特别是在3000转/分以上的大容量高速机组，由于材料强度的关系，转子直径受到严格的限制，一般不能超过 1.2米。而转子本体的长度又受到临界速度的限制。当本体长度达到直径的6倍以上时，转子的第二临界速度将接近于电机的运转速度，运行中可能发生较大的振动。所以大型高速汽轮发电机转子的尺寸受到严格的限制。10万千瓦左右的空冷电机其转子尺寸已达到上述的极限尺寸，要再增大电机容量，只有靠增加电机的电磁负荷来实现。为此必须加强电机的冷却。所以 5～10万千瓦以上的汽轮发电机都采用了冷却效果较好的氢冷或水冷技术。70年代以来，汽轮发电机的最大容量已达到130～150万千瓦。从1986年以来，在高临界温度超导电材料研究方面取得了重大突破。超导技术可望在汽轮发电机中得到应用，这将在汽轮发电机发展史上产生一个新的飞跃。