Главная / Технологии / Трибоэлектрические наногенераторы. Энергия из капли воды

Трибоэлектрические наногенераторы. Энергия из капли воды

Трибоэлектрические наногенераторы. Энергия из капли воды

Капля воды вырабатывает энергию для 100 светодиодных лампочек.

Новый тип электрогенератора обладает высоким КПД и удельной мощностью в тысячу раз большей, чем у существовавших до сих пор других подобных устройств, не оснащенных FET-подобной структурой.

Трибоэлектрические наногенераторы — это технология сбора энергии, которая основывается на эффектах связи контактной электрификации и электростатической индукции между двумя твердыми телами или жидкостью и твердым телом.

Дожди могут стать источником электрической энергии

Преобразование механической энергии в электроэнергию с использованием трибоэлектрических наногенераторов (ТЭНГ) является быстро расширяющейся областью исследований. Хотя теоретическое происхождение ТЭНГов было доказано с использованием тока смещения Максвелла, значительное использование данной генерации ранее было недоступно. Всесторонний анализ основных характеристик зарядки ТЭНГ и оценка уникальных характеристик зарядки каждого ТЭНГ имеют решающее значение для обеспечения их эффективного использования на практике.

Исследовательская группа во главе с учеными из Городского университета Гонконга (CityU) разработала электрогенератор на каплеобразной основе (DEG), который может стать новым источником возобновляемой и предельно дешевой энергии.

Трибоэлектрические наногенераторы. Энергия из капли воды

Капельный генератор обеспечивает свечение светодиодных ламп.

Высокая эффективность преобразования энергии капель в электрическую энергию

В гидроэнергетике нет ничего нового. Около 70% земной поверхности покрыто водой. Однако кинетическая энергия, содержащаяся в волнах, приливах и даже каплях дождя, неэффективно преобразуется в электрическую энергию из-за ограничений в современных технологиях. Например, обычный генератор энергии капель на основе трибоэлектрического эффекта может генерировать электричество, индуцированное контактной электрификацией и электростатической индукцией, когда капля ударяется о поверхность. Однако количество зарядов, генерируемых на поверхности, ограничено межфазным эффектом, и в результате эффективность преобразования энергии остается довольно низкой.

Трибоэлектрические наногенераторы. Энергия из капли воды

Принципиальная схема капельного электрогенератора (DEG).
Трибоэлектрические наногенераторы. Энергия из капли воды
Четыре параллельных устройства DEG, изготовленных на стеклянной подложке.

Чтобы повысить эффективность преобразования, исследовательская группа потратила два года на разработку капельного электрогенератора DEG. Его мгновенная плотность мощности может достигать 50,1 Вт / м 2, что в тысячи раз выше, чем у других подобных устройств без использования FET-подобной конструкции. И эффективность преобразования энергии заметно выше.

В результате исследований установлено, что для изобретения есть два ключевых фактора. Во-первых, команда обнаружила, что непрерывные капли, падающие на PTFE, специальный материал с квазипостоянным электрическим зарядом, обеспечивают новый эффект для накопления и хранения поверхностных зарядов высокой плотности. Они обнаружили, что, когда капли воды непрерывно ударяются о поверхность PTFE, генерируемые поверхностные заряды будут накапливаться и постепенно достигать насыщения. Это новое открытие помогло преодолеть узкое место низкой плотности заряда, с которым сталкивались ранее.

Уникальная полевая транзисторная структура

Второй ключевой особенностью их конструкции является уникальное устройство, аналогичное FET, которое было создано лауреатом Нобелевской премии по физике в 1956 году. Оно стало основным строительным блоком современных электронных устройств в наши дни. Устройство состоит из алюминиевого электрода и электрода из оксида индия и олова (ITO) с нанесенной на него пленкой из PTFE.

Именно второй электрод отвечает за генерацию и накопление зарядов. Когда падающая капля воды попадает на поверхность PTFE/ITO и распространяется по ней, она естественным образом «соединяет» оба электрода, превращая исходную систему в замкнутую электрическую цепь. Благодаря такой конструкции на PTFE/ITO-электроде могут накапливаться поверхностные заряды с высокой плотностью. Когда вода соединяет два электрода, все накопленные заряды могут полностью высвобождаться и генерировать электрический ток.

Благодаря этой специальной конструкции на PTFE может накапливаться высокая плотность поверхностных зарядов в результате непрерывного удара капель. В результате, как мгновенная плотность мощности, так и эффективность преобразования энергии намного выше чем у аналогов.

Исследование показывает, что капля в 100 микролитров (1 микролитр = миллионный литр) воды, высвобождаемая с высоты 15 см, может генерировать напряжение свыше 140 В. А вырабатываемая мощность может зажечь 100 маленьких светодиодных лампочек.

Увеличение мгновенной плотности мощности происходит не за счет дополнительной энергии, а за счет преобразования кинетической энергии самой воды. То есть кинетическая энергия, связанная с падающей водой, обусловлена гравитацией и может рассматриваться как свободная и возобновляемая.

Исследования также показывают, что снижение относительной влажности не влияет на эффективность выработки электроэнергии. Кроме того, для выработки электроэнергии может быть использована как дождевая вода, так и морская.

Результаты этого исследования помогут собрать энергию падающей воды, чтобы решить глобальную проблему нехватки возобновляемой энергии. Работу также можно использовать для прогнозирования зарядных характеристик ТЭНГ в системе накопления энергии для более эффективного применения.

В долгосрочной перспективе новая конструкция может быть применена и установлена на различных поверхностях, где жидкость контактирует с твердым веществом, чтобы полностью использовать низкочастотную кинетическую энергию воды. Это может варьироваться от поверхности корпуса парома, береговой линии, до поверхности зонтов или даже внутри бутылок с водой.

Трибоэлектрические наногенераторы. Энергия из капли воды

С новым генератором электричества на основе капель капля воды, высвобождаемая с высоты 15 см, может генерировать напряжение свыше 140 В, освещая 100 маленьких светодиодных лампочек.
Трибоэлектрические наногенераторы. Энергия из капли воды

Трибоэлектрические наногенераторы. Энергия из капли воды

Плотность поверхностных зарядов на пленке PTFE колеблется в течение всего непрерывного удара капли.

Смотрите также

Смартфоны realme: возможности и причины популярности моделей бренда

Компания ОРРО не так давно представила свою дочернюю компанию – реалми. Быстрорастущий производитель реализовал 4 …

Напасть в виде COVID-19. Глобализация – «это баг, а не фича»

Замена обычного общения виртуальной коммуникацией – вот, прежде всего, к чему приведет наше общество напасть …

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *