Создан эффективный электрогенератор на основе капель

Исследование показывает, что капля в 100 микролитров (1 микролитр = 1 миллионная доля литра) воды, падающая с высоты 15 см, может генерировать напряжение свыше 140 В, питая 100 маленьких светодиодных лампочек

Технология эффективного производства электроэнергии из капель дождя прогрессирует. Исследовательская группа во главе с учеными из Городского университета Гонконга (CityU) разработала электрогенератор на капельной основе с увеличенной в тысячи раз мгновенной плотностью мощности по сравнению с аналогами. Это поможет продвинуть научные исследования и решить энергетический кризис.

Результаты опубликованы в выпуске научного журнала Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-020-1985-6.

Эффективность преобразования электрической энергии значительно улучшена

В гидроэнергетике нет ничего нового. Около 70% земной поверхности покрыто водой. Однако низкочастотная кинетическая энергия, содержащаяся в волнах, приливах и даже каплях дождя, не могла быть эффективно преобразована в электрическую энергию из-за неразвитых технологий.

Например, обычный капельный генератор энергии на основе трибоэлектрического эффекта может генерировать электричество, индуцированное контактной электрификацией и электростатической индукцией, когда капля ударяется о поверхность. Однако количество зарядов, генерируемых на его поверхности, ограничено межфазным эффектом, и в результате эффективность преобразования энергии остается довольно низкой.

Чтобы повысить эффективность преобразования, исследовательская группа потратила два года на разработку своего генератора на капельной основе. Его мгновенная плотность мощности может достигать 50,1 Вт/м², это в тысячи раз выше, чем у других аналогичных устройств.

Отмечено, что появлению изобретения способствовали два ключевых фактора. Во-первых, непрерывные капли, падающие на электретный материал с квазипостоянным электрическим зарядом, обеспечивают новый путь для накопления и хранения поверхностных зарядов высокой плотности.

Было обнаружено, что, когда капли воды непрерывно ударяются о поверхность этого материала, генерируемые поверхностные заряды накапливаются и постепенно достигают насыщения. Это новое открытие помогло преодолеть узкое место низкой плотности заряда, с которым исследователи сталкивались в предыдущих работах.

Уникальная полевая транзисторная структура

Вторая ключевая особенность связана с уникальным набором конструкций, аналогичным полевому транзистору, за который американский физик Уильям Брэдфорд Шокли получил Нобелевскую премию по физике в 1956 году, и который по сей день остается основным строительным блоком современных электронных устройств.

Устройство состоит из алюминиевого электрода и политетрафторэтиленовой пленки (ПТФЭ) на подложке из оксида индия и олова (ITO). Электрод ПТФЭ/ITO отвечает за генерацию, хранение и индукцию заряда. Когда падающая капля воды попадает на поверхность ПТФЭ/ITO и распространяется по ней, она естественным образом замыкает алюминиевый электрод и ПТФЭ/ITO, переводя исходную систему в замкнутую электрическую цепь.

Это превращает обычный межфазный эффект в объемный и, таким образом, увеличивает мгновенную плотность мощности на несколько порядков по сравнению с аналогичными устройствами.

Благодаря такой конструкции на ПТФЭ может накапливаться высокая плотность поверхностных зарядов в результате непрерывного удара капель. Между тем, когда растекающаяся вода соединяет два электрода, все накопленные заряды на ПТФЭ получают способность полностью высвобождаться для генерации электрического тока. В результате, как мгновенная плотность мощности, так и эффективность преобразования энергии становится намного выше.

«Исследование показывает, что капля в 100 микролитров (1 микролитр = 1 миллионная доля литра) воды, падающая с высоты 15 см, может генерировать напряжение свыше 140 В, питая 100 маленьких светодиодных лампочек».

Увеличение мгновенной плотности мощности происходит не за счет подачи дополнительной энергии, а за счет преобразования кинетической энергии самой воды. «Кинетическая энергия, связанная с падающей водой, обусловлена гравитацией и может рассматриваться как свободная и возобновляемая. И её следует использовать более эффективно».

Исследование также показывает, что снижение относительной влажности не влияет на эффективность выработки электроэнергии. Как и то, какая вода будет использоваться, дождевая или морская.

Исследователи выражают надежду, что результаты этого исследования помогут решить глобальную проблему нехватки возобновляемой энергии. «Выработка энергии из капель дождя вместо нефти и ядерной энергии может способствовать устойчивому развитию мира», - добавляют они.

Они полагают, что в долгосрочной перспективе новая конструкция может быть применена и установлена на множестве различных поверхностей, где жидкость контактирует с твердым веществом. Это может быть поверхность корпуса парома, береговой линии, поверхности зонтов или даже внутренние полости бутылок с водой.

Источник: EurekAlert