2017-06-29 16:51:03来源:光明网作者:责任编辑:战钊

光明网讯 出差路上手机没电,你肯定想着有一块充电宝该多好!但是如果长期在没有电源的野外,你该如何是好呢?北京林业大学工学院研究生李伟林在他导师的带领下最近做了这样一件事情,他们发明了“植物充电宝”。该成果在日前举行的第九届“挑战杯”首都大学生课外学术科技作品竞赛中获得了一等奖。

据介绍,“植物充电宝”主要研究的是树木与土壤间微电能的采集存储技术,利用树木内部液流与周围土壤之间产生的微弱生物能量——植物电能,采集并升压存储,为布设在人迹罕至、环境艰苦的野外地区的无线传感器网络等设备供电,就地取材,是环境能量研究中一种新的自供电方法。

大家都知道,在人迹罕至或长期无人值守的野外区域开展野外监测获探测的各种设备都需要电力供应,但是由于野外环境恶劣很难架设电线,太阳能、风能、热能等受天气环境影响效率不稳定且成本较高,那么有没有可在环境中长期稳定存在的可用能源呢?因此,植物充电宝是一种可以将树木与土壤间的微电能采集升压并存储到锂电池中的装置,可以在野外地区就地取材为低功耗设备供电。

早在2013年,工学院有关科研团队着力在环境能量领域开展研究工作。在高林副教授的指导和支持下,李伟林他们钻研起了植物电能这种环境新能源,决定设计制作一种电路装置将植物电能采集并存储出来。2015年3月份开始,他们开始了关于植物充电装置研发工作的大学生创新训练项目,主要目标就是将已经被研究人员测量到的植物内部带电液流提取出来。

在工科楼实验室和校园里,他们拿着各种电极、导线和万用表,对不同树种、不同连接方式进行反复测试,终于发现采用树干作为负极、其周围土壤作为正极的方式,可以给超级电容充电,经过20多天的积累单个电容可以存储约300mV的电压,从而创新性地收集到了植物中的电能。

对于采集植物与土壤间电势差的影响因素有哪些呢?他们做了大量的实验分析,历时两年多。他们发现树种、温湿度、天气、电极材质都会影响到电势差的大小,而且受温度影响,同一树种不同季节测量的电势差变化显著,以美桐为例,冬季电容存储300mV电压需要18天,而夏季只需要8天。但无论什么样的环境,只要植物正常生长,保持新陈代谢活动,植物电能会一直存在。

那么电容收集到电势差后,如何升压存储到锂电池中也是个问题。由于野外特殊环境,植物电能在升压过程没有外界电能帮助,需要实现无源升压。通过广泛选型,他们确定了升压电路要用的各种电子器件,并设计制作了电路板,用采集到的植物电作为升压电路的启动电压,避免了另加外接电源。然而由于消耗了部分采集的植物电能,降低了整个电路的转化效率,他们又不断通过实验改进升压电路设计,最终既实现了环境能量自供电,又将电能转化效率保持在了53%~60%,升压存储的电压范围为3.6~5V。

李伟林说,植物电能供电相比传统供电方式和其他环境能量供电方式具有较大优势。实际应用中对于无线传感器网络等设备的供电大多采用电池供电方式,采用植物电能供电可以避免更换电池的问题。与太阳能、风能等供电方式相比,植物电能供电可降低80%~90%的成本,且受天气影响较弱。另外在外壳设计上,植物充电宝充分考虑了野外环境因素,采用环保防水材料制作。随着各种监测设备的研究不断深入,其能耗也会不断降低。而随着环境能量收集技术、无源升压方法的不断进步,植物电能的采集转化功率也会不断提高。相信不久的未来,植物电能会对解决红外图像采集仪、无线传输网络等野外监测设备的供电具有重要意义,提供一种可靠稳定的供电方式。

(北京林业大学党委宣传部 李香云)

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