Ученые из Университета Цинхуа в КНР разработали устройство, называемое трибоэлектрическим наногенератором (TENG), в котором используется контактная электрификация жидкости и твердого тела, что позволяет успешно собирать электричество из дождевых капель. Об этом сообщает международный веб-ресурс EnergyPortal. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Когда капли дождя падают с неба, они несут в себе некоторое количество кинетической энергии, которую можно собрать и превратить в электричество. Исследователи из Китая предположили, что это может стать значимым потенциальным источником экологически чистой возобновляемой энергии. Однако эту технологию трудно развивать в больших масштабах, что ограничивает ее практическое применение.
В новом исследовании научных сотрудников Международной высшей школы при Университете Цинхуа в Шэньчжэне было показано, что устройство, называемое трибоэлектрическим наногенератором (TENG), в котором используется контактная электрификация жидкости и твердого тела, успешно собирает электричество из дождевых капель. Технология TENG ранее демонстрировала, что также успешно собирает энергию волн и других форм трибоэлектрической генерации.
Однако устройства TENG на основе дождевых капель (D-TENG) имеют серьезное техническое ограничение – на соединение более одной из этих панелей вместе, что снижает общую выходную мощность. В недавно опубликованной статье в научном издании iEnergy описывается, как моделирование панелей D-TENG в сочетании с массивами солнечных панелей делает сбор энергии дождевых капель более эффективным, расширяя область его применения.
«Несмотря на то, что D-TENG имеют сверхвысокую мгновенную выходную мощность, одному D-TENG по-прежнему сложно непрерывно подавать питание для электрооборудования мегаваттного уровня. Поэтому очень важно реализовать одновременное использование нескольких D-TENG», – отметил профессор Цзун Ли, руководивший исследованием Университета Цинхуа в сотрудничестве с учеными из Китайского научно-исследовательского института электроэнергетики и Пекинского института наноэнергетики и наносистем Академии наук Китая.
При подключении нескольких D-TENG между верхним и нижним электродами панели возникает непреднамеренная емкость связи. Эта непреднамеренная емкость связи снижает выходную мощность массивов D-TENG. Чтобы уменьшить влияние этой проблемы, исследователи предложили генераторы с мостовой матрицей , в которых используются нижние электроды матрицы для уменьшения влияния емкости.
Когда капли дождя падают на поверхность панели, происходит процесс контактной электризации, называемый трибоэлектрификацией, при котором накапливается собираемая энергия. Каждая капля дождя, соприкасаясь с поверхностью на основе фторопласта (FEP), становится положительно заряженной, а сама поверхность FEP становится отрицательно заряженной.
Ли поясняет, что заряд, генерируемый каждой каплей, невелик, а поверхностный заряд на FEP со временем постепенно рассеивается. Однако после длительного периода заряды на поверхности FEP постепенно накапливаются до насыщения, уравновешивая скорость диссипации (рассеивания) с зарядом, генерируемым при каждом ударе капли.
Чтобы продемонстрировать успешное рабочее взаимодействие генераторов «мостовой решетки» с нижними электродами матрицы, исследователи сравнили их с обычными устройствами D-TENG. Они также исследовали производительность этих генераторов с субэлектродами разного размера и изучили влияние толщины панели на потери мощности. Увеличение толщины поверхности FEP привело к уменьшению емкости связи при сохранении поверхностной плотности заряда, что в конечном итоге улучшило характеристики генерации энергии.
С разработкой генераторов «мостовой решетки» для сбора энергии дождевых капель, использующих нижние электроды матрицы и мостовые конструкции обратного потока, стало возможным, чтобы панели сбора дождевых капель работали независимо друг от друга. Эта независимость значительно уменьшила непреднамеренные потери мощности.
Ли подчеркивает, что пиковая выходная мощность генераторов мостовой решетки почти в 5 раз выше, чем у обычных систем сбора энергии дождевых капель на большой площади того же размера. Прототип опытного устройства достиг показателя выработки в 200 Вт на квадратный метр, демонстрируя потенциал технологии D-TENG для крупномасштабного сбора энергии дождевых капель.