Энергия капель: как из дождя получить электричество?
Ученые из КНР и США заявили о прорыве в разработке технологии предобразования энергии падающих капель в электричество. Сама по себе инновация выглядит перспективно — особенно для районов с повышенной сезонной влажностью. Как, например, Северо-Запад России, где годовая сумма осадков составляет 550–750 мм. Как устроена эта уникальная технология и как скоро нам ждат ее применения — в материале «Энергии Северо-Запада».
Человечество использует энергию большой воды для генерации электричества уже почти 150 лет. Самая первая ГЭС в мире заработала еще в 1878 году в английском Нортумберленде. Изобретатель Уильям Джордж Армстронг создал рабочий агрегат, который питал единственную дуговую лампу в его картинной галерее. Но реки составляют лишь малую часть воды, ежедневно находящейся в движении на Земле. Особенно отчетливо это чувствуется в ноябре на Северо-Западе России, когда постоянно падающая с неба вода становится хроническим явлением.
В последние годы учеными из разных стран мира предпринимаются попытки «приручить» дождь для выработки электроэнергии. Первые серьезные исследования, принесшие реальный (пусть и не очень масштабный) результат, были направлены на повышение эффективности солнечных панелей. При недостаточном уровне инсоляции — ночью и в пасмурную погоду — выработка солнечных электростанций стремится к нулю. Чтобы хотя бы частично обойти это ограничение, инженеры из Института материаловедения и инженерного дела в китайском Циндао представили прототип всепогодной солнечной панели, генерирующей электричество как на солнце, так и в дождь. В последнем случае это удается сделать при помощи графенового слоя, нанесенного на поверхность панелей.
Графен поглощает всего 2 % видимого света, поэтому его можно наносить на солнечные панели без особой потери эффективности. В представленной в Китае системе во время дождя капли вместе с графеном, имеющим толщину в один атом, формируют двойной электрический слой. Положительно заряженные ионы в дождевой воде вступают в реакцию со свободными электронами в графене, который является отличным проводником. Прототип работал, первые результаты обнадеживали, но не впечатляли: сила генерируемого дождем тока измерялась в миркоамперах, напряжение составляло десятые доли вольта.
Более перспективными с точки зрения эффективности оказались другие инновационные покрытия. Еще в 2008 году группа европейских ученых из исследовательского центра Minatec (Micro and Nanotechnology Innovation Centre) во французском Гренобле создала миниатюрные пьезоэлементы, вибрирующие под действием падающих капель воды и преобразующие эту вибрацию в электричество. Для утилизации кинетической энергии капель ученые использовали термопластик поливинилиден фторид, способный преобразовывать механические колебания в электричество за счет пьезоэлектрического эффекта. При падении капли на твердую поверхность происходит абсолютно неупругое соударение: то есть она не отскакивает наподобие резинового мячика, а растекается, передавая всю кинетическую энергию поверхности. Это обстоятельство позволяло ученым надеяться на создание рентабельных систем с высоким КПД.
В ходе экспериментов выяснилось, что максимальный эффект достигается при медленном падении крупных капель — в этом случае энергия не тратится на формирование деформирующего всплеска, а колебания в пьезоэлектрических полимерах пропорциональны размеру. Руководитель проекта Томас Ягер заявлял, что в перспективе технология может стать альтернативой СЭС в дождливых регионах. Но на тот момент возможности разработки были намного скромнее: исследователи тестировали систему, устанавливая пьезоэлементы в градирнях для питания датчиков на промобъектах. Объем энергии, производимой отдельным соударением, составлял от 2 мкДж до 1 мДж, мощность мембраны в несколько квадратных сантиметров достигала 10 мкВт.
Недостаточные мощность и энергетическая эффективность «дождевых» систем более 10 лет оставались ключевым препятствием на пути этой технологии. Но в этом году о принципиальном прорыве объявили китайские исследователи. Инженеры университета Гонконга представили генератор, который способен запитать 100 светодиодов от падения одной капли.
Китайским и американским специалистам удалось решить сразу две технологические проблемы. Во-первых, исследователи обнаружили, что продолжительное падение капель на политетрафторэтилен (ПТФЭ, тефлон), материал с квази-постоянным электрическим зарядом, обеспечивает новый метод аккумуляции и хранения поверхностных зарядов высокой плотности. Когда капли воды постоянно падают на поверхность ПТФЭ, поверхностный заряд накапливается и постепенно достигает насыщения. Это открытие помогает обойти проблему низкой плотности заряда.
Второй фактор успеха — уникальное устройство, напоминающее полевой транзистор. Оно состоит из алюминиевого электрода и электрода из оксида индия и олова с нанесенной на него пленкой из ПТФЭ. Электрод с пленкой отвечает за генерацию, хранение и индукцию заряда. Когда падающие капли попадают на него и распределяются по его поверхности, они «соединяют» алюминиевый электрод и электрод с пленкой ПТФЭ, переводя исходную систему в замкнутую электрическую цепь. Идея заключается в том, чтобы накрыть поверхность генератора пленкой из политетрафторэтилена, которая способна накапливать поверхностный заряд при непрерывном попадании капель воды, пока он не достигнет насыщения. В подобном устройстве капли действуют как резисторы, а поверхностное покрытие — как конденсатор.
Мгновенная мощность, создаваемая гонконгским генератором с тефлоновым покрытием, — 50,1 Вт на 1 м2 поверхности, — оказалась в тысячи раз выше, чем в предыдущих разработках без использования ПТФЭ.
«Наше исследование показывает, что капля воды объемом 100 микролитров, упавшая с высоты 15 сантиметров, может дать напряжение свыше 140 вольт. А энергии хватит на работу 100 небольших светодиодных ламп. Дизайн является общим — это означает, что его можно усовершенствовать, чтобы собирать энергию водяных волн, то есть в теории даже не нужно использовать падающую каплю», — заявил профессор Ван Чжэн, один из руководителей научной группы.
«Значимость этой технологии заключается в существенно увеличенной электрической мощности на каждую каплю дождя, которая делает устройство намного более эффективным для преобразования энергии из падающей капли в электричество», — подчеркивает один из разработчиков, химик из Университета Небраски-Линкольна (США) Сяо Чен Цзэн.
Прототип для практического применения будет готов в ближайшие пять лет, обещают ученые. В перспективе можно будет получать энергию от капель дождя, попадающих на любую поверхность — крышу дома, корпус лодки или купол зонта, от которого можно будет заряжать телефон. Для регионов, где бывают сильные дожди, такой способ получения энергии из природного возобновляемого источника может стать даже промышленным, но для этого эффективность системы должна еще вырасти.