浙大雨滴发电黑科技！收集雨滴能量的摩擦纳米发电机用于自供电智能温室！

现代温室的有效运行需要大量能源来满足供暖、制冷、通风、灌溉、自动化和监控等功能。建立可持续的能源供应系统对于智能化温室环境管理至关重要。而与传统能源相比，绿色环保能源更有利于保护农业生产环境。虽然很多温室已使用各种光伏设备来收集太阳能，但其并不总适用于中高纬度地区或降雨充足的地区，尤其是在全年多雨的海洋或热带气候地区。因此，在阴雨天进行能量收集可能是这些地区建立可持续能源供应系统的关键。

浙江大学平建峰研究员等人报道了一种透明、超疏水、自清洁的用于雨滴能量收集的摩擦纳米发电机（RDE-TENG）。作者将最常见的温室薄膜氟化修饰为超疏水的负电层材料，以构建RDE-TENG。此外，作者还采用了一种改进的结构，避免了液-固界面的界面屏蔽效应，从而促进了电荷转移。该RDE-TENG具有高电压和稳定的输出，可作为温室环境监测装置的可靠电源，有助于实现环境的智能控制并指导农业生产过程。因此，它具有替代传统能源的潜力，有助于实现自供电的智能温室种植模式。该研究以题为“Highly Efficient Raindrop Energy-Based Triboelectric Nanogenerator for Self-Powered Intelligent Greenhouse”的论文发表在《ACS nano》上。

【超疏水薄膜的设计】

构建具有雨滴能量收集功能的 RDE-TENG 的有效方法是开发超疏水和负电表面。聚乙烯 (PE) 薄膜是温室中最常见的覆层材料，具有出色的负摩擦带电性。作者通过电感耦合等离子体刻蚀和低表面能层沉积将其作为超疏水表面，并旋涂上透明导电聚合物涂层。内层PE膜表面作为下电极，附着在外表面的超薄铜电极作为上电极，用于收集由落下的雨滴引起的摩擦电能。在这种设计下，摩擦电荷的产生不再是通过下电极和薄膜之间的静电感应过程，而是通过与上/下电极和薄膜的体效应。因此，界面可以有效避免屏蔽效应，从而实现有效的摩擦电荷转移。

图1 PE薄膜的形态特征

图2 PE薄膜的超疏水性和透光率

【RDE-TENG的输出性能】

作者构建了一个简单的装置来模拟降雨过程。结果表明，RDE-TENG的输出性能与水滴下落高度相关。超疏水的表面有利于水滴的快速滑动，从而转移更多的感应电荷。氟元素还增强了薄膜表面的摩擦电负性，有利于在液固接触带电过程中获得电子。无论水滴下落频率如何增加，每一个水滴都可以快速滑离表面，表面电荷会迅速进入饱和状态，从而导致更多的转移电荷。因此，无论降雨量如何，具有超疏水表面的RDE-TENG 在下雨天都表现出良好的性能。作者还研究了不同 pH 值的雨水对 RDE-TENG 的影响。溶液越酸，RDE-TENG 的输出性能越差。这是因为溶液中H+的浓度随着酸度的增加而增加，导致溶液的电导率增加。不过RDE-TENG 的输出电压在所有 pH 范围内均大于 60 V，这揭示了其从不同 pH 值的雨滴中收集能量的巨大潜力。

图3 RDE-TENG在不同降雨特征参数下的输出性能

【RDE-TENG 的实际应用】

利用水滴撞击薄膜表面时产生的交流电，作者通过整流桥给10μF电容充电，从而实现为定时器供电。连续滴水约3分钟后，电容器充电至约 6 V，RDE-TENG可成功驱动定时器约 12 秒。因此，该RDE-TENG可以收集雨滴能量来稳定、持续地为小型电子设备供电。考虑到环境温湿度对农业生产有重大影响，作者构建了一个自供电的温室温湿度监测系统。作者将不带电池的温度和湿度传感器放置在温室中，以监测对植物生长至关重要的环境参数。传感器由 RDE-TENG 充电的电容器供电，监测参数通过蓝牙即时传输到手机。蓝牙连接成功后，人们可以通过手机随时查看温室内的温湿度。如发现异常波动，可立即采取降温、加温、遮荫、喷灌等措施，将温湿度恢复到有利于植物生长的范围。

图4 RDE-TENG 的实际应用

总结：作者构建了一种透明、超疏水和自清洁的 RDE-TENG 以实现自供电的智能温室系统。该RDE-TENG 具有高且稳定的电输出，可作为温室环境监测设备的可靠电源。RDE-TENG使得人们能够及时采取措施，将环境参数恢复到有利于植物生长的范围，这对指导农业生产具有重要意义。该研究为在农业互联网时代通过各种电子器件构建可持续的、自给自足的智能农业系统提供了新的思路。