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从植物中取电

让大树成为随时可用的“充电宝”

来源: 北京晚报     2017年09月06日        版次: 24     作者:

    在现代文明社会,电已经是不可缺少的重要能源。人类获取电能的方式多种多样,水力、火力、风甚至核能。但很少有人知道,其实大自然的不少植物中也蕴含着电能,虽然微弱,但积少成多依然可以发挥不小的作用。北京林业大学的李伟林等同学打起了“从树木中取电”的主意,他们在老师的指导下历时一年开展树木与土壤间微电能的采集存储研究,终于研发出一套“植物充电宝”。 

    李伟林介绍,“植物充电宝”是就地取材,利用树木内部液流与周围土壤之间产生的微弱植物电能,采集并升压存储,从而为布设在人迹罕至、环境艰苦的野外地区的无线传感器网络等低功耗设备供电。该作品在今年的第九届“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。 

    英国学者最早发现“植物电”

    2012年,李伟林考入北京林业大学工学院。也是在这一年,工学院院长李文彬教授主持了国家自然科学基金“活立木生物电产生机理及其收集方法研究”的项目。李伟林后来的研究指导老师高林副教授,在这个项目中主要负责植物电能的采集存储研究。

    这是一项非常前沿的研究项目,英国学者于1873年在捕蝇草叶片表面上首次发现了微弱的植物电,之后各国学者都对植物电的形成因素开展了研究。近年来,植物电能的研究逐渐转向应用方面,美国学者研究了以植物提供的微电能作为输入的压差升压器,能将极小电压增加至相对较高的1.1伏电压。不过由于升压转换及设备低能耗技术的限制,植物电能应用未能有显著进步。   

    2015年,升入大三的李伟林和其他3位同学一起跟随高林老师,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,“传统的科学研究仅仅探测到了植物内存在带电粒子的运动,检测到了电流的产生,却并没有对这种电能进行收集和储存。”李伟林说,他们的主要目标就是将植物内部的电压“提取”并储存起来。    

    粗看,这几乎是不可能完成的任务,幸好李伟林他们之前已经经历过电子元件、电路设计的训练——他们做了一台草坪修整机,可以根据自己的设计将草坪修剪出个性化的图案,“知道很困难,但大家都很有热情,就义无反顾地投入了进去。”李伟林说。    

    树干上测出最高500毫伏电压

    在李文彬和高林两位指导老师的支持下,李伟林和伙伴们的研究开始了。尽管此前的科学研究已经证实了“植物电”的存在,但要“取电”就必须了解树木带电的具体特点,包括数量级、变化趋势等。抱着严谨的科学精神,他们决定从头做起。    

    在工科楼实验室和北林大的校园里,李伟林他们拿着各种电极、导线和万用表,对不同树种、不同连接方式进行反复测试,美国梧桐、栾树、油松……因为导电用的小号螺丝钉要扎入树皮内部,他们还专门向校园的园林部门提交了申请,得到大力支持,“小号螺丝钉不会对树木的正常生命活动产生影响,这种方法属于无损检测。”李伟林说,尽管如此,他们的实验还是小心再小心、仔细再仔细,“我们是林业大学的学生,对树木的研究一定要科学化、规范化。”  

    测试的原理是这样的:树干作为负极,其根部周围的土壤作为正极,通过电极、导线相连接,如果的确存在电势差,就可以形成一个通电回路,万用表就可以测到电压。功夫不负有心人,电路接通的一瞬间,电表的数值猛然跳动,让李伟林和伙伴们欢呼雀跃。当然,只测一次肯定不行。从2015年6月到2016年6月,他们整整收集了学校十多株不同品种的树一年的电压值,最高时的瞬时电压能达到500多毫伏。    

    这些电被积累到了超级电容,经过平均二十多天的积累,单个电容就可以存储约300毫伏的电压,从而创新地收集到了植物中的电能。

    夏季最快8天充满一支电容

    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。李伟林说,由于野外环境特殊,植物电能在升压过程没有外界电能帮助,“没有‘人工变压器’,就需要实现无源升压。”经过反复选型对比测试,他们又确定了升压电路所要用的各种电子器件,并设计制作了电路板。他们创新地就地取材,利用树木放出的电本身作为升压电路的启动电压,然后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50%以上。 

    记者在李伟林的实验室见到了他们最新改进的“植物充电宝”。这个装置的主体如同一个饼干盒大小,打开后里面是密布的20个电容以及电路板、导线。“充电宝”另一端连接的是一条黑色的“腰带”,里面“扎”着20枚螺丝钉,“这条‘腰带’就是绑在树上的,钉子进入树干,进行电路连接。每一枚钉子通过导线连接一个电容。”李伟林介绍,原来是纯导线连接,后来发现遇到雨雪天气,电路容易不稳定,因此用“腰带”进行了优化。

    经过升压存储后的植物电电压范围为3.6伏至5伏,这个电压已经足够向大部分传感器设备提供电源。以我们日常使用的普通充电宝为例,给手机充电的输出电压就是5伏。    

    李伟林说,虽然植物电能从被发现至今已有100余年,但对于其产生机理、影响因素的分析研究始终没有停止。针对这个问题他们做了大量的实验分析,结果发现树种、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,以美国梧桐为例,冬季电容存储300毫伏电压需要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。

    植物供电可降低成本超八成

    截至记者发稿,李伟林他们的成果已经申请了两项发明专利和一项实用新型专利。李伟林告诉记者,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%到90%的成本,且受天气影响较弱。

    目前而言,李伟林他们的“充电宝”20个电容给纽扣电池一次存下来的电量大约是7.48毫安时,这个电量维持传感器这样的低功耗设备可以,但要真正为人们的手机充电,还有很长的路要走。目前大家日常使用的充电宝电量已经动辄10000毫安时以上,“但我相信,只要肯努力钻研,以后实现植物给手机充电,不是遥不可及的幻想。”李伟林说。    

    更为现实的应用是在野外对于野生动物的监测上。记者了解到,国家已经决定设立东北虎豹国家公园,以有效保护和恢复东北虎豹野生种群,这个国家公园横跨黑龙江、吉林两省,总面积达1.46万平方公里。在那里,无论是科研监测还是保护,都需要大量的非人工设备。因此,未来植物电能有望为解决红外图像采集仪、无线传输网络等野外监测设备提供一种可靠稳定的供电方式,意义重大。

    本报记者 张航 文并图 J067