Исследование проводилось совместно профессором Ван Цзуанкаем из факультета машиностроения CityU, профессором Цзэн Сяо Ченг из Университета Небраски-Линкольн и профессором Ван Чжун Линь, директором-основателем и главным научным сотрудником Пекинского института наноэнергетики и наносистем Китайской академии наук. Их выводы опубликованы в свежем номере журнала Nature.
Значительно повышена эффективность преобразования электроэнергии
В гидроэнергетике нет ничего нового. Около 70% поверхности Земли покрыто водой.
Тем не менее, низкочастотная кинетическая энергия, содержащаяся в волнах, приливах и даже каплях дождя, не может эффективно преобразовываться в электрическую энергию из-за ограничений современных технологий. Например, традиционный генератор энергии капли, основанный на трибоэлектрическом эффекте, может генерировать электричество, индуцированное контактной электризацией и электростатической индукцией, когда капля ударяется о поверхность.
Однако количество зарядов, генерируемых на поверхности, ограничено межфазным эффектом, и в результате эффективность преобразования энергии довольно низкая.
Чтобы повысить эффективность преобразования, исследовательская группа потратила два года на разработку DEG. Его мгновенная удельная мощность может достигать 50.1 Вт / м2, что в тысячи раз выше, чем у других аналогичных устройств без использования конструкции, подобной полевым транзисторам. И эффективность преобразования энергии заметно выше.
Профессор Ван из CityU отметил, что есть два решающих фактора для изобретения. 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, образующиеся поверхностные заряды накапливаются и постепенно достигают насыщения.
Это новое открытие помогло преодолеть узкое место низкой плотности заряда, обнаруженное в предыдущей работе.
Уникальная структура, подобная полевому транзистору
Другой ключевой особенностью их конструкции является уникальный набор структур, подобных полевому транзистору, который получил Нобелевскую премию по физике в 1956 году и стал 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 ПТФЭ.
Электрод из PTFE / ITO отвечает за генерацию, накопление и индукцию заряда. Когда падающая капля воды ударяется и распространяется по поверхности PTFE / ITO, она естественным образом «соединяет» алюминиевый электрод и электрод PTFE / ITO, переводя исходную систему в электрическую цепь с обратной связью.
Благодаря этой специальной конструкции на ПТФЭ может накапливаться высокая плотность поверхностных зарядов за счет непрерывного падения капель. Между тем, когда растекающаяся вода соединяет два электрода, все накопленные заряды на ПТФЭ могут быть полностью высвобождены для генерации электрического тока. В результате как мгновенная плотность мощности, так и эффективность преобразования энергии намного выше.
«Наши исследования показывают, что капля в 100 микролитров (1 микролитр = одна миллионная литр) воды, выпущенная с высоты 15 см, может генерировать напряжение более 140 В. А вырабатываемая энергия может зажечь 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 падающей воды возникает из-за силы тяжести и может рассматриваться как бесплатная и возобновляемая. Его следует лучше использовать."
Их исследования также показывают, что снижение относительной влажности не влияет на эффективность производства электроэнергии. Кроме того, как дождевая, так и морская вода могут использоваться для выработки электроэнергии.
Способствует устойчивости мира
Профессор Ван выразил надежду, что результаты этого исследования помогут собрать энергию воды для решения глобальной проблемы нехватки возобновляемых источников энергии. «Производство энергии из капель дождя вместо нефти и ядерной энергии может способствовать устойчивому развитию мира», – добавил он.
Он считал, что в конечном итоге новый дизайн может быть применен и установлен на различных поверхностях, где жидкость контактирует с твердым телом, чтобы полностью использовать низкочастотную кинетическую энергию воды. Он может варьироваться от поверхности корпуса парома, береговой линии до поверхности зонтов или даже внутри бутылок с водой.