Ученые разработали технологию, преобразующую энергию падающей воды в электричество

Новости МирТесен

Китайские исследователи продемонстрировали плавающий гидровольтаический генератор, способный преобразовывать энергию падающих капель дождя в электричество непосредственно на водной поверхности. Разработанное в Нанкинском университете аэронавтики и астронавтики (NUAA) устройство, получившее название водно-интегрированного генератора электричества от капель (W-DEG), отличается легкостью и доступной стоимостью благодаря использованию воды в качестве структурного и электрического элемента.

В отличие от традиционных генераторов электричества, использующих капли (C-DEG), которые нуждаются в прочных наземных конструкциях с металлическими электродами, новая разработка обладает способностью свободно плавать. Она позволяет получать энергию, не используя земельные участки и не требуя тяжёлых материалов. Профессор механики университета и руководитель исследования Ваньлинь Го отметил, что, предоставив воде выполнять функции как структурного элемента, так и проводника электричества, исследователи представили инновационный подход к генерации энергии из капель, отличающийся легкостью, экономической целесообразностью и возможностью масштабирования.

Традиционные генераторы основаны на жёсткой базе и металлическом электроде, вырабатывая электричество при соприкосновении капель с диэлектрической плёнкой. Хотя они способны генерировать высокое напряжение, их конструкции громоздки, дороги и требуют применения твёрдых материалов. Альтернативное, новое устройство, напротив, удерживается на водной поверхности, используя воду в качестве опоры и проводящего электрода.

По мнению исследовательской группы, W-DEG использует воду в качестве нижнего электрода. Такой подход позволяет уменьшить вес используемых материалов примерно на 80 процентов и почти вдвое сократить расходы по сравнению с обычными системами. Когда капли дождя попадают на плавающую диэлектрическую плёнку, их несжимаемость и высокое поверхностное натяжение обеспечивают достаточную механическую прочность для поглощения удара, способствуя равномерному распределению капель по поверхности. При этом ионы, содержащиеся в воде, выполняют роль переносчиков заряда, обеспечивая стабильность и эффективность электрода. Благодаря этим характеристикам достигается генерация напряжения около 250 вольт на каплю, что соответствует показателям традиционных наземных устройств с металлическими электродами.

Устройство отличается высокой степенью надёжности. Результаты лабораторных испытаний подтверждают, что W-DEG сохраняет работоспособность в широком диапазоне температур, при повышенной концентрации соли и даже в воде, загрязнённой из озера. Разработчики отмечают, что, в отличие от многих энергетических устройств, которые теряют свои характеристики в неблагоприятных условиях, плавающий генератор продолжает функционировать стабильно благодаря химической инертности диэлектрического слоя и устойчивости водной структуры. Для предотвращения скопления воды, которое может препятствовать генерации энергии, исследователи предусмотрели микроскопические дренажные отверстия, позволяющие воде стекать вниз, исключая её попадание на поверхность и обеспечивая чистоту для эффективного воздействия капель. Этот саморегулирующийся принцип поддерживает стабильную работу W-DEG даже при интенсивных осадках.

Плавающий генератор также обладает потенциалом для расширения. Команда разработала и представила интегрированный прототип размером 0,3 квадратных метра, являющийся самым крупным в своем классе и способный одновременно питать 50 светодиодов. W-DEG также может заряжать конденсаторы за несколько минут. В дальнейшем развитие технологии позволит развернуть её на озёрах, водохранилищах или вдоль побережья для сбора возобновляемой энергии без использования земельных участков. Она также может поддерживать системы экологического мониторинга, отслеживающие качество воды, солёность и уровень загрязнения. В регионах, где часты дожди, это может послужить распределённым источником энергии для поддержки местных электросетей или питания автономных устройств. По словам Го, это открывает возможности для создания гидровольтаических систем, не требующих земли, которые смогут дополнять другие возобновляемые источники энергии, такие как солнечные и ветровые электростанции. Согласно заключению команды, создание долговечного, эффективного и масштабируемого прототипа является важным этапом на пути к практическому применению.

Исследование было в журнале National Science Review.