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第922期(总第922期) 2018年6月15日   本期四版  上一期  下一期  更多期次  
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铅酸蓄电池上发生的“蝴蝶效应”



作者:本报记者 任妍 校报记者团 马晓月

  “确定性系统在特定条件下展现出一种不确定性,微小条件的改变都会对结果造成出乎意料的影响”,这描述的是“混沌”这一科学概念的现象。就像巴西一只小小的蝴蝶扇一扇翅膀,其影响由于种种原因而被不断放大,最终在美国造成一场飓风,这就是我们常说的“蝴蝶效应”。会不会发生飓风,就在于蝴蝶扇不扇翅膀这样一个不确定事件。

  这样一个有趣而又充满无限可能性的科学概念,如何将其与我们的生产生活结合到一起、使其从理论研究走向实际应用,这一直困扰着兰州大学信息科学与工程学院无线电物理专业2015级博士研究生刘冀钊。
  刘冀钊从2008年考入兰州大学微电子专业,到2018年博士毕业,在混沌系统的研究应用上费了不少心血,终于在一次与其创业导师、兰州大学科技园萃英众创空间负责人常蓬彬老师的闲聊中瞄准了铅酸蓄电池的除硫问题,当时是灵光一现,但后来“就痴迷于做这件事了”。

随处可见的铅酸蓄电池

    路灯、电动车、变电站、通信基站……铅酸蓄电池作为电源或后备电源,目前已经被广泛应用于我们的日常生产生活中,“铅酸蓄电池的正反应是铅离子和硫酸根离子结合形成硫酸铅的絮状沉淀,就像棉花糖一样,这是一个放电的过程。在逆反应中,硫酸铅经过充电又被溶解成铅离子和硫酸根离子,这是一个充电的过程。但是电池用的久了,硫酸铅絮状物会结块,甚至会形成结晶,即我们通常说的硫化结晶,这样一来充电过程发生的逆反应无法再溶解硫酸铅,那么电池里的铅离子和硫酸根离子就会越来越少,参与充放电的物质也就越来越少,由此便造成了铅酸蓄电池内阻增大、容量下降、寿命缩短。”对于铅酸蓄电池的工作原理,刘冀钊如是解释道。以送快递的电动车为例,需要安装6块铅酸蓄电池才能维持运行,每块铅酸蓄电池购买价大约为600元左右,使用寿命为2年左右,“长期下来其实成本还是比较高的,这只是一个电动车,对通信基站等而言成本就更可观了”。

  不仅如此,频繁更换、废弃铅酸蓄电池,对环境的污染也是不言而喻的。这样一来,铅酸蓄电池的修复就成了一个很有现实意义的科学问题。
  其实在2012年前后,刘冀钊所在的团队就针对此问题开展了一系列的研究,“当时团队是在我们学院刘映杰老师的实验室开展工作,团队主要成员除了刘老师、常老师,还有我们5个左右的学生吧,当时采用的是复合电脉冲修复的方式”。复合电脉冲修复,即利用复合电脉冲制造的频率产生共振来击碎铅酸蓄电池中的硫化结晶,使硫化结晶“复原”成铅离子和硫酸根离子,再次参与到充放电过程当中。其缺陷在于硫化结晶大小各异,内部频率也比较复杂,而复合电脉冲只能产生单一的频率,不能实现对大小各异的硫化结晶“各个击破”,导致修复效率较低,有时候在线除硫,几个月之后才能见到效果。

混沌与铅酸蓄电池的结合

    刘冀钊在想到用混沌系统解决铅酸蓄电池的除硫问题之后,立即和团队成员们一起开始实验,他们将混沌电脉冲发生技术应用到了铅酸蓄电池的修复上。

  混沌脉冲频率较宽,有一个中心主频,每个倍频上又都会有一个峰值。丰富的频率弥补了复合电脉冲单一频率的缺陷,实现了对大小各异的硫化结晶的“各个击破”。

  那么如何实现每个倍频上峰值的不同呢?在实验中,他们预设了一个中心主频,在行业标准中,中心主频一般是6-8K赫兹,“但是根据电池的不同,我们在1K赫兹到8K赫兹的范围内选了三种中心主频做尝试,在每种中心主频确定的情况下,每个倍频上的峰值会成倍数增长。然后我们再根据中心主频设计电路,电路通过一些参数的设计,产生的波形是很复杂的,这就是一个混沌的现象。规则是确定的,但初始条件发生了变化,也就是中心主频发生了变化,结果就成不确定的了,才会产生不同的倍频峰值,才会产生复杂的波形,才能对大小不同的硫化结晶进行震动击碎,实现对铅酸蓄电池的修复。”一个附加了混沌系统的小电路板就解决了同频共振的问题,实现了多频率震动,相较用复合电脉冲对铅酸蓄电池进行修复的方式,这种方式修复效果更明显。实验数据显示,用混沌的方式可使铅酸蓄电池的使用寿命可延长至810年。

      经过反复实验,混沌电路铅酸蓄电池除硫仪研制成功了,刘冀钊及其团队把目光投向了实际应用。

从实验到应用

      混沌电路铅酸蓄电池除硫仪是一个长宽各约20寸、厚10厘米左右的方形箱体,“跟小的行李箱差不多大小,设计的时候就是按照行李箱的大小设计的,这样方便携带。箱体里面主要是电路和芯片,有一些模块是现成的,买来就用了,有一些要根据我们的需要进行设计或改造。”

    “一个铅酸蓄电池除硫仪可以带动24节铅酸蓄电池,2014年以来某国企的200多座基站后备电源蓄电池应用了该技术在线除硫,初步核算了一下,相比直接更换铅酸蓄电池,大概节省了400多万。”

    问及混沌电路铅酸蓄电池除硫仪的大规模生产问题,刘冀钊坦言:“我们目前采用的方式是委托企业进行生产,基础的组装生产都是一样的,但关键的电路改造、制作是由我们自己完成的,是出于保护专利、保护知识产权的需要。”

    凭借这个发明,刘冀钊申请了多项专利,与团队成员协作获得了2017年“创客中国”创新创业大赛全国一百强、2017年兰州市青年创业大赛一等奖、2018年甘肃省第八届大学生创新创业大赛特等奖,并注册成立了有限责任公司,刘冀钊任公司法人。

从创新到创业

   刘冀钊的创新之路,是从参加各类创新创业项目或比赛起步的,但在他看来,在这些项目和比赛中收获最多的是眼界的开阔和思维的转变。

    “2016年参加第五届全国创新创业大赛甘肃赛区的比赛,我们只取得了第13名的成绩,但真的是心服口服,排在我们前面的队伍个个比我们强。当时第1名是诺基亚全球研发前副总裁带领的团队,他们很厉害,真的不一样,第12名是兰州爱城市团队,就感觉排在他们后面是件很幸运的事。”刘冀钊对对手表示由衷的钦佩。

    在参加这些比赛的过程中,刘冀钊的思维方式渐渐发生了转变,他称之为“投资人的思维方式”,“在我以往的思维里,一旦有一个想法,首先做的是做出一个小的样品,经过实验反复测试通过后,再慢慢试着运用到实际场景中去;而我现在一旦有了想法,首先做的是申请专利,先将创意保护起来,具体的产品可以请别人去测试、去制作,这大大缩短了从创意到产品中间所花费的时间。”

    说到创意,刘冀钊非常感念三位老师:马义德老师、张兴国老师和常蓬彬老师,“他们每个人在我的学习成长中都给予了我很多的帮助和指导,侧重点都不同,但他们有个共同点,那就是勤奋。”马义德老师给予刘冀钊更多的是基础知识的指导和学术方向的指引,“真的非常感谢马老师,曾经他帮我修改论文从早上十点一直到晚上八点,中间就吃了一顿饭”。有关混沌系统的知识更多则是张兴国老师传授给他的,“张老师已经退休了,他就是做混沌系统的,尽管退休了他还是坚持经常来实验室,手把手地教我有关混沌的知识”。采访过程中,刘冀钊提及最多的莫过于常蓬彬老师,“我和常老师平常交流很多,他本身有着创业导师的头衔,这在我身上体现的尤为明显。他会支持我们团队有机会就出去参加比赛啊、项目啊,他说关键不是让你们拿奖去了,更重要的是展示自己并且向别人学习,打开眼界,注意安全就是了。包括后来创业开公司,也都离不开常老师的支持和鼓励。”

创业实不易

   刘冀钊给公司命名为“1909工作室”,“这个名字是参加第五届中国创新大赛的时候想到的,就想着兰大是1909年建校的,自己是兰大人嘛,走到哪都得表明自己的兰大身份”,刘冀钊笑着说道。工作室目前除了刘冀钊及其创业导师常蓬彬老师外,还有成员10名,其中负责技术研发的有两三个人,最小的是信息学院大三本科生丁伟康,“技术上还是比较靠谱的”,另有六七个人都是经济学院或管理学院的研究生,主要负责市场调研、市场推广等工作,“我们是一个很年轻很有活力的团队”。有一次带领团队去推理馆开展团队建设活动,刘冀钊惊讶于这些年轻人对新鲜事物的接受能力,不禁笑言:“我现在也尝试着去理解一些新出现的事物,否则就被社会潮流甩得太远了。”

    技术研发工作基本成型。

    市场调研的结果显示,混沌电路铅酸蓄电池除硫仪有电信电力、银行学校、自然能系统、矿山井下、航空航天、码头运输等11个应用场景,应用前景不可谓不广泛。

    接下来的市场推广使公司发展陷入了窘境,“市场推广太难了,在市场方面我们既缺乏经验,也缺乏路径,只是硬生生地介绍我们产品的优势,不容易让企业采信,因为毕竟还没有大规模生产、大范围地投入使用,他们会怀疑你这个产品的安全性。所以我们目前正在根据国家和行业规定做安全检测,一旦安全检测成功,有了安全检测报告,希望能对市场推广有帮助吧,但迈出这第一步太难了。”言语间,刘冀钊流露出了诸多无奈和失落。

    问到对公司未来的展望,刘冀钊表现出来的理智胜过激情,“我很少去设想公司未来的发展状况,市场千变万化,很多行业巨头也会一夜之间崩塌,为新的行业所替代。创业的偶然性太大了,如同混沌一样无法预测”,刘冀钊笑言,“现在我能做的就是走一步看一步,把每一步都踏踏实实地走稳了,才能看下一步怎么走,见山开路,遇水搭桥,抱着去经历、开拓眼界的态度,慢慢地等待机会吧,结果不是第一位的。”

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