Плавающий капельный генератор электроэнергии из Китая

Новый легкий плавающий трибоэлектрический генератор превращает капли дождя в чистую энергию, используя саму воду в качестве ключевого компонента.

Производство энергии из дождя — одна из великих целей, которых пытаются достичь отраслевые исследования, чтобы иметь возможность использовать даже плохие дни. Технология существует и апробирована, но созданные к настоящему времени устройства настолько дороги и громоздки, что ограничивают их широкомасштабное применение. Сегодня Нанкинский университет аэронавтики и астронавтики приходит на помощь с новым электрическим капельным генератором, который легче и дешевле обычных систем, но не менее эффективен.

Что такое гидроэлектрическая технология?

Область, в которой мы движемся, — это развивающаяся гидроэлектрическая технология, термин, охватывающий ряд подходов к выработке электроэнергии посредством прямого взаимодействия воды с функциональными материалами.

Один из таких подходов представлен генераторами электроэнергии на основе капель. Это эволюция трибоэлектрических наногенераторов (ТЭНГ), устройств, способных собирать низкочастотную и маломощную энергию за счет использования эффекта связи между трибоэлектрификацией и электростатической индукцией.

Если быть точным, ДЭГ — это твердо-жидкостные трибоэлектрические наногенераторы, которые производят электричество благодаря контакту капель жидкости с заряженным материалом. Традиционно они имеют слоистую конструкцию, в которой диэлектрический материал соединен с верхним и нижним электродом, причем последний находится в непосредственном контакте с жесткой подложкой. Как это работает? Сами китайские учёные объясняют это в публикации на Национальный научный обзор:

«Когда падающая капля ударяется о поверхность диэлектрического слоя, опора подложки позволяет ей распространяться с высокой скоростью, касаясь верхнего электрода». В этот момент «происходит мгновенный перенос заряда от нижнего электрода к верхнему, вызванный электростатической индукцией, поскольку поверхность диэлектрика обычно заряжается отрицательно из-за контактной электризации, создавая электрический выход».

Проще говоря, каждая капля, которая достигает и расширяется на поверхности ДЭГ, действует как переключатель, замыкая временную цепь и позволяя уже существующему электростатическому полю генерировать ток.

От ДЭГ к W-ДЭГ на водной основе

На бумаге эта технология может генерировать сотни вольт, но жесткие и дорогие материалы, используемые в «обычных» генераторах капель, ограничивают ее реальное применение.

Именно под этот уровень укладываются исследования Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики. Ученые придумали новую конструкцию, позволяющую аппарату плавать на поверхности воды. В этой конфигурации вода сама служит как подложкой, так и нижним электродом, что позволяет свести к минимуму общий вес и вдвое сократить затраты.

Для создания W-DEG (это аббревиатура нового генератора электричества с плавающей каплей) ученые использовали диэлектрическую пленку из фторполимера, закрепив сверху металлическую проволоку для верхнего электрода; другой конец кабеля опускается в воду.

Как работает плавающий электрический капельный генератор?

«Когда капля дождя приземляется на плавающую диэлектрическую пленку, вода под ней обеспечивает силу, необходимую для поглощения удара, благодаря своей несжимаемости и поверхностному натяжению. Это позволяет капле более эффективно распределяться по поверхности. В то же время ионы в воде действуют как носители заряда, позволяя слою воды функционировать как надежный электрод».

Результат? Устройство может обеспечивать высокие пиковые напряжения около 250 В на каплю, уровень производительности, сравнимый с уровнем производительности ДЭГ с твердой подложкой, но при весе всего лишь в пятую часть их веса.

И не только это. Было показано, что W-DEG работает в широком диапазоне температур окружающей среды и при различных уровнях концентрации соли.

Возможные применения

Прототип, созданный группой испытаний, — интегрированное устройство площадью 0,3 м2 — продемонстрировал, что он может одновременно питать 50 светодиодов и заряжать конденсаторы до полезного напряжения всего за несколько минут.

«Позволяя воде самой играть как структурную, так и электрическую роль, мы открыли новую стратегию легкого, экономичного и масштабируемого производства капельной электроэнергии», сказал профессор Ваньлинь Го, автор исследования. «Это открывает двери для безземельных гидроэлектрических систем, которые могут дополнять другие возобновляемые технологии, такие как солнечная и ветровая энергия».

Прочтите статью Вэй Дэна, Цзыхао Вана, Цзинминя Вана, Тао Ху, Сяо Вана, Сюэмэй Ли, Цзюнь Инь, Ванлин Го «Генератор электричества в виде плавающих капель на воде», Национальный научный обзорТом 12, выпуск 11, ноябрь 2025 г., https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf318