Новая технология использует воду для генерации электричества из падающих капель
Китайские учёные представили плавающий гидровольтаический генератор, который преобразует энергию падающих капель дождя непосредственно в электричество, находясь на поверхности воды. Разработанное в Нанкинском университете аэронавтики и астронавтики (NUAA) устройство, названное водно-интегрированным генератором электричества от капель (W-DEG), является лёгким и недорогим, поскольку использует воду в качестве структурного и электрического компонента.
В отличие от обычных генераторов электричества от капель (C-DEG), которые требуют жёстких, наземных конструкций с металлическими электродами, новая разработка свободно плавает. Она собирает энергию, не занимая землю и не нуждаясь в тяжёлых материалах. Профессор механики университета и автор исследования Ваньлинь Го пояснил, что, позволив самой воде играть как структурную, так и электрическую роли, учёные открыли новую стратегию для генерации электричества из капель, которая является лёгкой, экономически эффективной и масштабируемой.
Обычные генераторы работают на жёсткой подложке и металлическом нижнем электроде, производя электричество, когда капли ударяются о диэлектрическую плёнку. Несмотря на способность создавать высокое напряжение, их конструкции тяжёлые, дорогие и ограничены использованием твёрдых материалов. В отличие от них, новое устройство плавает непосредственно на водной поверхности, используя саму воду в качестве опорной подложки и проводящего электрода.
Исследовательская группа утверждает, что W-DEG использует естественную воду в качестве нижнего электрода. Такая конструкция снижает вес материала примерно на 80 процентов и почти вдвое сокращает затраты по сравнению с обычными системами. Когда капли дождя ударяются о плавающую диэлектрическую плёнку, несжимаемость и высокое поверхностное натяжение воды обеспечивают необходимую механическую прочность для поддержки удара, позволяя каплям эффективно растекаться по поверхности. При этом ионы, присутствующие в воде, действуют как переносчики заряда, позволяя ей быть стабильным и эффективным электродом. Эти свойства обеспечивают генерацию напряжением около 250 вольт на каплю, что сопоставимо с традиционными наземными устройствами на металлических электродах.
Устройство также отличается долговечностью. Лабораторные испытания показали, что W-DEG надёжно работает при различных температурах, уровнях соли и даже в загрязнённой воде озера. Команда заявила, что, в отличие от многих энергетических устройств, которые деградируют в суровых условиях, плавающий генератор продолжал стабильно работать благодаря химической инертности своего диэлектрического слоя и устойчивости своей водной структуры. Чтобы предотвратить накопление воды, которое могло бы блокировать генерацию энергии, исследователи добавили микроскопические дренажные отверстия, позволяющие воде стекать вниз, но не подниматься вверх, что сохраняет поверхность чистой для ударов капель. Этот саморегулирующийся механизм поддерживает стабильность работы W-DEG даже во время сильного дождя.
Плавающий генератор также демонстрирует потенциал масштабируемости. Команда представила интегрированный прототип площадью 0,3 квадратных метра, крупнейший в своём роде, который может одновременно питать 50 светодиодов. W-DEG также способен заряжать конденсаторы в течение нескольких минут. При дальнейшем развитии технология может быть развёрнута на озёрах, водохранилищах или побережьях для сбора возобновляемой энергии без использования земли. Она также может поддерживать системы экологического мониторинга, отслеживающие качество воды, солёность и загрязнение. В регионах с частыми дождями это может служить распределённым источником энергии для поддержки местных сетей или питания автономных систем. По словам Го, это открывает дорогу для гидровольтаических систем, не требующих земли, которые могут дополнять другие возобновляемые технологии, такие как солнечная и ветровая энергия. Согласно выводу команды, демонстрация долговечного, эффективного и масштабируемого прототипа знаменует важный шаг на пути к практическому применению.
Исследование было в журнале National Science Review.