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.
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.
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.
