Scienty

Фото: img.freepik.com

Китайские исследователи продемонстрировали плавающий гидровольтаический генератор, способный преобразовывать энергию падающих капель дождя непосредственно в электричество, размещаясь 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, поскольку использует воду в качестве структурного элемента и компонента, обеспечивающего электричество.

В отличие от традиционных генераторов электричества, работающих на капельках (C-DEG), которые нуждаются в надёжных наземных конструкциях с металлическими электродами, новая разработка обладает способностью свободно плавать. Она позволяет получать энергию, не используя земельные участки и не требуя применения тяжёлых материалов. Профессор механики университета и руководитель исследования Ваньлинь Го отметил, что, предоставив воде выполнять одновременно структурные и электрические функции, исследователи представили новый подход к генерации электричества 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 применяет обычную воду в качестве нижнего электрода. Данное решение уменьшает массу конструкции приблизительно на 80 процентов и позволяет почти вдвое сократить расходы по сравнению с традиционными системами. При столкновении капель дождя с плавающей диэлектрической мембраной, несжимаемость и высокое поверхностное натяжение воды гарантируют достаточную механическую прочность для поглощения удара, обеспечивая тем самым эффективное растекание капель по поверхности. В то же время, ионы, содержащиеся в воде, выступают в роли переносчиков заряда, что делает её стабильным и действенным электродом. Благодаря этим характеристикам достигается генерация напряжения около 250 вольт на каплю, что сопоставимо с показателями традиционных наземных устройств с металлическими электродами.

Устройство отличается повышенной долговечностью. Результаты лабораторных испытаний продемонстрировали, что W-DEG сохраняет работоспособность в широком диапазоне температур, при высоком содержании соли и даже в воде, загрязнённой водоёмами. Разработчики утверждают, что, в отличие от многих энергетических устройств, подверженных деградации в экстремальных условиях, плавающий генератор продолжал функционировать стабильно благодаря химической инертности диэлектрического слоя и устойчивости водной структуры. Чтобы избежать скопления воды, способного препятствовать генерации энергии, исследователи предусмотрели микроскопические дренажные отверстия, обеспечивающие сток воды вниз и препятствующие её подъёму, что поддерживает чистоту поверхности и предотвращает воздействие капель. Этот саморегулирующийся принцип обеспечивает стабильность работы W-DEG даже во время интенсивных осадков.

Плавающий генератор также демонстрирует возможности для увеличения масштаба. Команда разработала и представила интегрированный прототип размером 0,3 квадратных метра, являющийся самым крупным в своей категории, способный одновременно питать 50 светодиодов. W-DEG также может заряжать конденсаторы за несколько минут. В будущем технология может быть применена на озёрах, водохранилищах или вдоль береговой линии для сбора возобновляемой энергии, не требующей земельных участков. Она также может поддерживать системы экологического мониторинга, осуществляющие контроль за качеством воды, соленостью и уровнем загрязнения. В районах, где часты дожди, это может служить распределённым источником энергии для поддержки местных электросетей или питания автономных систем. По словам Го, это прокладывает путь для гидровольтаических систем, не использующих землю, которые могут дополнять другие возобновляемые источники энергии, такие как солнечные панели и ветряные турбины. Как заключили авторы, создание долговечного, эффективного и масштабируемого прототипа является значительным продвижением на пути к практическому применению.

Исследование было в журнале National Science Review.