Исследовательская группа во главе с учеными из Городского университета Гонконга (CityU) недавно разработала электрогенератор на каплеобразной основе (DEG), оснащенный структурой, подобной полевому транзистору (FET), которая обеспечивает высокую эффективность преобразования энергии и мгновенная плотность мощности увеличилась в тысячи раз по сравнению с аналогами без FET-подобной структуры. Это помогло бы продвинуть научные исследования в области производства воды и решить энергетический кризис.
[penci_related_posts title=”Вам также может быть интересно” number=”4″ style=”list” align=”none” displayby=”cat” orderby=”random”]
Исследованием руководили профессор Ван Цуанкай из отдела машиностроения CityU, профессор Цзэн Сяо Чен из университета Небраска-Линкольн и профессор Ван Чжун Лин, директор-основатель и главный научный сотрудник Пекинского института наноэнергетики и наносистем Китайской академии наук. Их выводы были опубликованы в последнем номере журнала Nature.
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, неэффективно преобразуется в электрическую энергию из-за ограничений в современной технологии. 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 является довольно низкой.
Чтобы повысить эффективность преобразования, исследовательская группа потратила два года на разработку DEG. Его мгновенная плотность мощности может достигать 50,1 Вт / м 2, в тысячи раз выше, чем у других аналогичных устройств без использования FET-подобной конструкции. И эффективность преобразования энергии заметно выше.
Профессор Ван из CityU отметил, что для изобретения есть два ключевых фактора. Во-первых, команда обнаружила, что непрерывные капли, падающие на ПТФЭ, электретный материал с квазипостоянным электрическим зарядом, обеспечивают новый путь для накопления и хранения поверхностных зарядов высокой плотности. Они обнаружили, что когда капли воды непрерывно ударяются о поверхность ПТФЭ, генерируемые поверхностные заряды будут накапливаться и постепенно достигать насыщения. Это новое открытие помогло преодолеть узкое место низкой плотности заряда, с которым сталкивались в предыдущей работе.
Уникальная полевая транзисторная структура
Еще одной ключевой особенностью их конструкции является уникальный набор конструкций, аналогичный FET, который является лауреатом Нобелевской премии по физике в 1956 году и в настоящее время стал основным строительным блоком современных электронных устройств. Устройство состоит из алюминиевого электрода и электрода из оксида индия и олова (ITO) с нанесенной на него пленкой из ПТФЭ. Электрод PTFE / ITO отвечает за генерацию, хранение и индукцию заряда. Когда падающая капля воды попадает на поверхность PTFE / ITO и распространяется на нее, она естественным образом «соединяет» алюминиевый электрод и электрод PTFE / ITO, переводя исходную систему в замкнутую электрическую цепь.
Благодаря этой специальной конструкции на ПТФЭ может накапливаться высокая плотность поверхностных зарядов в результате непрерывного удара капель. Между тем, когда распределяющая вода соединяет два электрода, все накопленные заряды на ПТФЭ могут полностью высвобождаться для генерации электрического тока. В результате, как мгновенная плотность мощности, так и эффективность преобразования энергии намного выше.
«Наше исследование показывает, что капля в 100 микролитров (1 микролитр = миллионный литр) воды, высвобождаемой с высоты 15 см, может генерировать напряжение свыше 140 В. И генерируемая мощность может освещать 100 маленьких светодиодных лампочек», сказал профессор Ван.
Он добавил, что увеличение мгновенной плотности мощности происходит не за счет 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. Ее следует использовать лучше».
Их исследования также показывают, что снижение относительной влажности не влияет на эффективность выработки электроэнергии. Кроме того, дождевая вода и морская вода могут быть использованы для выработки электроэнергии.
Профессор Ван выразил надежду, что результаты этого исследования помогут собрать энергию воды, чтобы ответить на глобальную проблему нехватки возобновляемой энергии. «Выработка энергии из капель дождя вместо нефти и ядерной энергии может способствовать устойчивому развитию мира», – добавил он.
Он полагал, что 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 в воде. Это может варьироваться от поверхности корпуса парома, береговой линии, до поверхности зонтов или даже внутри бутылок с водой.
Источник:
Городской университет Гонконга
Фото: © Guy Sagi / Adobe Stock