自供电预警传感系统可连续监测森林火灾和环境状况

密歇根州立大学的一组研究人员想到为森林配备新型传感器,以检测一氧化碳水平和高温等因素。应该注意的是,尽管大多数传感器以前都是基于太阳能电池板,但学校的新方案使用的是树木运动产生的能量。

  在森林大火季节,扑灭森林大火的最佳方法是在早期阶段消除隐患。现在,消防部门依靠现场传感器的数据为他们提供发生地点的准确信息。通常,这些传感器由电池供电,但是在需要传感器的偏远地区,更换电池并不是一件容易的事。

纳米摩擦发生器或在森林火灾风险预警传感器中发挥重要作用.png

  太阳能传感器已用于这种类型的应用,但是一些森林茂密的树叶限制了其用途。在这种情况下,密歇根州立大学的一组研究人员想到为森林配备新型传感器,以检测一氧化碳水平和高温等因素。应该注意的是,尽管大多数传感器以前都是基于太阳能电池板,但学校的新方案使用的是树木运动产生的能量。

  太阳能电池板的问题在于需要定期维护,否则容易被茂密的树枝遮盖。但是,密歇根州的“多层圆柱摩擦纳米发电机”(MC-TENG)方案利用了物体接触分离后材料中积累的电荷(类似于梳子梳理后梳子产生的静电荷)。

  为传感器供电的电流是通过一种称为“摩擦电”的现象产生的,如果两种材料对电子的亲和力不同,则当它们接触时会产生很小的电压,通过巧妙地设计系统,该电压可用于产生电流。

装置设计示意图.jpg

装置设计示意图

  该特定设备的结构包含以圆柱形式排列的多层,重复的铜层和聚合物层连接到弹簧上,整个圆柱体悬挂在树枝之类的物体上。当树枝被风吹来吹去时,两层材料之间会摩擦以产生电荷,并将其存储在基于碳纳米管的微型超级电容器中。如果要增加输出功率,也可以进行多层嵌套。测试表明,更短但更频繁的3分钟阵风足以长时间维持一氧化碳和温度传感器。

  主要作者曹昌勇说:“在极低的振动频率下,设备可以有效地发电,以在不到三分钟的时间内为连接的超级电容器充电。据我们所知,这是诸如森林火灾探测系统这样的设备的首次展示,自供电传感系统可以连续监视火灾和环境状况,部署后无需维护。”

  作为工作的一部分,研究小组表明该设备可用于为温度计和一氧化碳传感器供电,这对任何林区大火预警系统都至关重要。他们还将通过开发一个防风雨的正式版本来跟进。除了检测火灾,警报还可以传输到附近的消防局。

  当前,若要广泛使用此设备,需要执行许多步骤,需要进行修改以确保该设备可以在各种气候下生存。目前,发电仅在实验室环境中进行了测试,团队希望在不久的将来进行必要的修改,以便可以在现场测试原型。

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