РадиоЛоцман - Все об электронике

Генерация электричества из ничего

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2020

Sam Davis

Power Electronics

Американские и китайские ученые научились извлекать электричество из движений человека и колебаний температуры окружающей среды

Ученые из Университета штата Нью-Йорк в Буффало (University at Buffalo – UB) и Массачусетского технологического института (MIT) заинтересовались неординарными способами генерации электрической энергии. Например, в созданном под руководством исследователей из UB совместно со специалистами Института полупроводников (IoP) Китайской академии наук (Chinese Academy of Science – CAS) трибоэлектрическом наногенераторе в электричество преобразуется энергия трения, а в разработке сотрудников MIT – колебания температуры.

Исследователи из UB и CAS предлагают вырабатывать электричество с помощью тонкой металлической накладки, которая будучи прикрепленной к телу человека способна генерировать электричество, например, при сгибании пальца или в результате других простых движений. Результаты исследования созданного трибоэлектрического генератора были опубликованы в онлайн-журнале Nano Energy [1].

«Никто не хочет быть привязанным к розетке или постоянно носить с собой портативную зарядку, – говорит один из руководителей проекта, доктор философии, адъюнкт-профессор электротехники в Школе инженеров и прикладных наук UB Цяоцян Гань (Qiaoqiang Gan). – А тело человека является богатым источником энергии. Вот мы и подумали – а почему бы не использовать его для выработки электричества?» (Рисунок 1).

Прототип трибоэлектрического наногенератора. (Источник: Nano Energy).
Рисунок 1. Прототип трибоэлектрического наногенератора. (Источник:
Nano Energy).

Трибоэлектрический заряд возникает после контакта некоторых различных материалов. Например, обычное статическое электричество, с которым мы сталкиваемся каждый день, имеет трибоэлектрическую природу. На сегодняшний день учеными уже придумано множество различных наногенераторов, основанных на трибоэлектрическом эффекте, однако большинство из них либо сложны в изготовлении, требуя специфической литографии, либо экономически неэффективны.

Генератор, разработанный коллективами UB и CAS, лишен указанных недостатков. Его основой является слой полидиметилсилоксана (Polydimethylsiloxane – PDMS) – полимера на основе кремния, используемого в контактных линзах, «жвачке для рук» (Silly Putty) и других продуктах, зажатый между двумя тонкими золотыми электродами.

Ключевой особенностью генератора является форма одного из электродов. При его изготовлении тонкая золотая фольга вначале растягивается во все стороны, а затем сжимается, в результате чего контактная поверхность становится похожей на миниатюрный горный хребет. Любая повторяющаяся деформация накладки, например, при сгибании пальца, приводит к трению золота о PDMS.

«Трение заставляет электроны перемещаться взад и вперед между слоями золота, – поясняет другой ведущий автор проекта, доктор философии, профессор IoP в CAS Юнь Сюй (Yun Xu). – Чем интенсивнее трение, тем больше вырабатывается электричества». Описанная в исследовании небольшая накладка длиной 1.5 см и шириной 1 см обеспечивала максимальное напряжение 124 В при максимальном токе 10 мкА, что соответствовало удельной мощности 0.22 мВт/см2. Конечно, этого мало для быстрой зарядки смартфона, однако вполне достаточно для одновременной засветки 48 красных светодиодов.

Соавторами этого проекта также являются Хуэмин Чен (Huamin Chen) из IoP и CAS и аспирант UB Нань Чжан (Nan Zhang).

Поскольку накладка проста в изготовлении, повышением ее эффективности занимается группа студентов под руководством Нань Чжана. Его команда планирует увеличить площадь золотых электродов, что, как ожидается, приведет к увеличению мощности генератора.

Ученые также работают над созданием портативного аккумулятора для хранения энергии, вырабатываемой накладкой. Предполагается, что такая система будет служить источником питания для носимых и автономных устройств.

Исследование, поддерживаемое Национальным научным фондом США, Национальной программой фундаментальных исследований и Национальным научным фондом Китая, входит в число Научно-технических проектов Пекина и ключевых направлений передовых научных исследований Китайской академии наук, а также включено в Национальный план исследований и развития.

Исследования MIT

А вот команда из Массачусетского технологического института придумала новый способ преобразования температурных колебаний в электрическую энергию. В отличие от традиционных термоэлектрических преобразователей, требующих одновременного наличия двух сред с различной температурой, для новой системы достаточно всего лишь колебаний температуры окружающей среды, возникающих в течение суток. (Рисунок 2).

Тепловой резонатор заполнен материалом, аккумулирующим тепло. Он генерирует электричество из температурных колебаний окружающей среды, возникающих в течение суток. (Источник: Melanie Gonick).
Рисунок 2. Тепловой резонатор заполнен материалом, аккумулирующим тепло. Он генерирует
электричество из температурных колебаний окружающей среды, возникающих
в течение суток. (Источник: Melanie Gonick).

Новый генератор, названный тепловым резонатором, может обеспечить непрерывную работу в течение многих лет, например, устройств дистанционного мониторинга без использования каких-либо дополнительных источников питания или аккумуляторов.

Результаты исследований теплового резонатора опубликованы в журнале Nature Communications в статье под авторством аспиранта Антона Коттрилла (Anton Cottrill), профессора химической инженерии Карбона П. Дуббса (Carbon P. Dubbs), Майкла Страно (Michael Strano) и еще семи сотрудников кафедры Химической инженерии MIT.

«То, что мы изобрели, похоже на какой-то обман, – говорит Страно. – Наш тепловой резонатор может стоять на столе и генерировать энергию фактически из ничего. А ведь мы постоянно окружены температурными колебаниями разных частот. И эта энергия никак не используется».

Хотя уровни мощности, генерируемые новой системой, пока весьма скромны, преимущество теплового резонатора состоит в том, что ему не нужен прямой солнечный свет, поскольку температура окружающей среды изменяется даже в тени. Это означает, что на него не влияют кратковременная облачность, порывы ветра и другие непродолжительные изменения погодных условий. Ученые считают, что новую установку можно разместить практически в любом удобном месте (Рисунок 3), даже в вечной тени солнечных панелей, причем в этом случае за счет утилизации лишнего тепла она сможет дополнительно увеличить их эффективность.

Метеостанция с тепловым резонатором, расположенная на крыше здания MIT, вырабатывает энергию при колебаниях температуры. (Источник: Justin Raymond).
Рисунок 3. Метеостанция с тепловым резонатором, расположенная на крыше здания MIT,
вырабатывает энергию при колебаниях температуры. (Источник: Justin Raymond).

Результаты проведенных Коттриллом испытаний показали, что при одинаковой занимаемой площади мощность теплового резонатора оказалась в три раза больше, чем у коммерческого пироэлектрического материала аналогичного размера, взятого в качестве эталонного термоэлектрического преобразователя.

С самого начала работы стало понятно, что для получения энергии из колебаний температуры необходим материал с высоким значением малоизвестной характеристики – тепловой инерции (Thermal Effusivity), – свойства, описывающего способность вещества сопротивляться изменению внутренней температуры. Тепловая инерция напрямую связана с тепловодностью, определяющей скорость распространения тепла через материал, и теплоемкостью, показывающей, сколько тепла может храниться в данном объеме материала. Большинство материалов имеет высокое значение лишь одного из этих параметров. Например, керамика обладает высокой теплоемкостью, но имеет низкую теплопроводность.

Чтобы обойти это ограничение, пришлось тщательно подобрать комбинацию используемых материалов. Основой теплового накопителя является медная или никелевая металлическая пена, которая для увеличения теплопроводности покрывается слоем графена. Затем эта пена пропитывается октадеканом – напоминающим воск материалом с легким фазовым переходом и температурой плавления 28.18 °С, находящейся в диапазоне рабочих температур установки.

Результаты испытаний тестового образца, изготовленного для проверки концепции, показали, что при разности между дневной и ночной температурами, равной 10 °C, даже крошечный накопитель обеспечивает выходное напряжение 350 мВ и мощность 1.3 мВт, что вполне достаточно для питания несложных датчиков мониторинга окружающей среды или простейших коммуникационных систем.

«Высокая теплоемкость обеспечивается за счет материала с фазовым переходом, – говорит руководитель проекта Коттрилл, – а графен дает высокую теплопроводность», позволяя быстро извлечь это тепло, когда возникает необходимость использовать его для генерации электричества.

«Фактически одна сторона теплового резонатора захватывает тепло из окружающей среды и медленно излучает его на другую сторону, пытаясь достичь теплового равновесия. При этом одна сторона всегда отстает от другой – поясняет Страно. – Это постоянное различие между двумя сторонами затем можно преобразовать в электричество с помощью обычных термоэлектриков. Комбинация металлической пены, графена и октадекана образует материал с самой высокой тепловой инерцией среди всех материалов, описанных в литературе на сегодняшний день».

Пока были проведены только первоначальные испытания установки в условиях 24-часового цикла изменения температуры окружающей среды, однако подбор материалов аккумулятора позволит оптимизировать его для других циклов и использовать тепловой резонатор, например, для отбора тепла от периодически включающихся двигателей холодильников или промышленных установок.

«Мы окружены колебаниями температуры, серьезным изучением которых раньше никто не занимался, – говорит Страно. – И это отчасти потому, что не существовало никакого известного способа их использования».

Конечно, до этого не раз предпринимались попытки извлечения энергии из тепловых циклов с помощью пироэлектрических преобразователей, однако, по убеждению авторов проекта, они создали первую систему, которую можно подстраивать под конкретные периоды колебаний температуры, например, под суточный цикл.

«Колебания температуры являются «неразведанным энергоресурсом», – убежден Коттрилл, – и они могут стать дополнительным источником в гибридной системе, объединяющей несколько методов получения энергии и способной работать даже при отказе отдельных компонентов». Этот проект был частично профинансирован грантом Научно-технологический университета Саудовской Аравии имени короля Абдаллы, который планирует использовать систему для питания сети датчиков, контролирующих условия на нефтяных и газовых месторождениях.

«Они хотят использовать ортогональные, то есть полностью независимые друг от друга источники энергии, – говорит Коттрилл. – Это могут быть топливные элементы, работающие на ископаемом топливе, солнечные батареи, а также наши новые тепловые резонаторы. Это позволит, например, в период неработоспособности солнечных панелей во время песчаной бури иметь дополнительный механизм получения энергии, даже если его мощности хватит лишь для отправки аварийного сообщения».

«Такие системы могут также стать долговечными, хоть и маломощными, источниками энергии для спускаемых и разведывательных аппаратов, предназначенных для исследования отдаленных районов, в том числе на Луне и других планетах, – говорит Владимир Коман (Volodymyr Koman), постдок MIT и соавтор данного исследования. – При этом большая часть системы может быть изготовлена из местных, а не из предварительно изготовленных материалов».

По мнению заслуженного профессора Мельбурнского королевского технологического университета в Австралии Куроша Калантар-заде (Kourosh Kalantar-zadeh), не принимавшего участия в данном проекте, этот способ «является перспективным направлением с большим будущим, потенциально способным сыграть неожиданную роль в качестве дополнительного источника в системах сбора энергии».

«Чтобы конкурировать с другими технологиями сбора энергии, всегда необходимы более высокие напряжения и мощности, – добавляет он. – Тем не менее, я лично считаю, что вложив в эту концепцию дополнительные средства, вполне возможно извлечь из нее гораздо больше… Это привлекательная технология, за которой в ближайшем будущем потенциально последуют многие другие».

В состав команды также вошли аспиранты химического факультета MIT Альберт Тяньсян Лю (Albert Tianxiang Liu), Амир Каплан (Amir Kaplan) и Сайали Махаджан (Sayalee Mahajan). Кроме того к проекту привлекались ученый Юичиро Кунаи (Yuichiro Kunai), постдок Пингвей Лю (Pingwei Liu) и бакалавр Обри Толанд (Aubrey Toland). Проект был поддержан Управлением военно-морских исследований, KAUST и Швейцарским национальным научным фондом.

Ссылки

  1. Huamin Chena, Lin Bai, Tong Li, Chen Zhao, Jiushuang Zhang, Nan Zhang, Guofeng Song, Qiaoqiang Gan, Yun Xu «Wearable and robust triboelectric nanogenerator based on crumpled gold films»

Перевод: ShuRusu по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Generating Electricity is a Snap

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя