Получение электроэнергии механическим способом — очень важная задача, поскольку в окружающем мире множество вещей, которые находятся в постоянном движении: от морских волн до одежды на теле человека. Важность задачи привлекает в эту область огромное количество исследователей. В результате, сейчас существует несколько способов сбора механической энергии, но у многих из них имеются определённые недостатки.
Например, электромагнитные генераторы энергии страдают от низкой удельной мощности и высокой стоимости ватта, если масштабировать их до миллиметровых размеров. Пьезоэлектрические и ферроэлектрические харвестеры хорошо подходят для высокочастотных маленьких деформаций, особенно на резонирующих сверхвысоких частотах, но им не хватает эластичности для сбора энергии с больших деформаций. Есть ещё многообещающие трибоэлектрические харвестеры, а также методы сбора генерации электричества от взаимодействия текущих жидкостей, масса электрохимических методов, включая сбор энергии со деформации литиумных батарей и ионные полимер-металлические композитные харвестеры.
Для утилизации энергии от больших механических растяжений лучше всего подходят диэлектрики на резиновой основе. Тонкий лист эластомера помещается в бутерброд между двумя деформируемыми электродами. Для заряда высокоэластичного конденсатора применяется напряжение () около 1000 В, в результате чего конденсатор получает заряд . При растяжении резиновый диэлектрик утоньшается, при этом растёт его ёмкостное сопротивление (), за счёт чего происходит изменение разности потенциалов . Так и осуществляется генерация энергии.
Большая международная группа учёных из Университета Техаса в Далласе, Университета Ханян (Сеул) и других учебных заведений и исследовательских центров смогла усовершенствовать гибкие диэлектрики этого типа, использовав скрученные нанотрубки. С их помощью удалось снизить то большое напряжение, которое раньше приходилось использовать для заряда эластомера.
Учёные продемонстрировали скрученные нанотрубки, которые выдают до 250 Вт с килограмма без необходимости внешнего электропитания с пиковой эффективностью на 30 герцах, а также до 41,2 джоуля на килограмм на механический цикл, если нормализовать на вес нанотрубок.
По словам учёных, столь высокая выдаваемая мощность объясняется чрезвычайно плотной закруткой нанотрубок. При повышении плотности закрутки они фактически превращаются в обмотку — и характеристики КПД резко улучшаются.
На иллюстрации 1A внизу показаны разные методы закручивания нанотрубок, но в реальности использовалось конусное закручивание (первое слева). Диаметр харвестера от 50 до 70 мкм.
На иллюстрации 1F показано, что раскручивание нанотрубки на 8,5% (то есть 500 оборотов на метр) не приводит к утрате эффекта обмотки, а приводит только к увеличению диаметра обмотки и уменьшает вызванную закручиванием плотность. Но при этом обратимый диапазон удлинения (tensile strain range) возрастает с 30% до 50%, а зависимое от удлинения изменение сопротивления возрастает с 30% до 36%.
По мнению учёных, такие харвестеры можно использовать в разных областях:
- сбор энергии морских волн
- преобразование тепловой энергии в электричество (вместе с искусственными мускулами, движимыми теплом)
- нанотрубки можно встраивать в ткань и использовать для питания LED и для подзарядки встроенного конденсатора
Важно заметить, что это не чисто теоретическое исследование. Учёные действительно собрали действующий генератор энергии от морских волн на закрученных нанотрубках и испытали его в Японском море. При температуре воды 13°С, частоте волн от 0,9 Гц до 1,2 Гц генератор между баллоном и грузилом был ограничен в максимальном растяжении 25%. Десятисантиметровый модуль с закрученными нанотрубками весом 1,08 мг показал пиковое напряжение 46 мВ и среднюю выходную мощность 1,79 мкВт. Как показано на иллюстрации 4B, при использовании большего количества харвестеров напряжение может возрастать до любого значения.
«Если удастся удешевить наши твистроновые харвестеры, то они могут собирать огромное количество энергии с морских волн, — говорит д-р Рей Баугман, директор NanoTech Institute и один из авторов научной работы. — Однако в данный момент они лучше всего подходят для энергопитания сенсоров и сенсорных коммуникаций. Харвестер на скрученных углеродных нанотрубках весом всего 31 мг может обеспечить энергию, необходимую для передачи 2-килобайтных пакетов данных на расстояние до 100 м каждые 10 секунд в Интернете вещей».
Научная статья опубликована 25 августа 2017 года в журнале Science (doi: 10.1126/science.aam8771, pdf). В ней описан процесс изготовления скрученных нанотрубок. Среди 29 авторов статьи — Юлия Быкова из Центра нанонаук и технологий Lintec of America в Ричардсоне (Техас), что тоже приятно, всё-таки российская система образования ещё даёт какой-то результат.
Комментарии (29)
agat000
27.08.2017 20:52+2То есть в перспективе мы имеем возможность зарядки носимых гаджетов от городского шума — весьма актуальная и массовая проблема. Там полоса на любые частоты, звуковое давление приличное. Возникает вопрос — сколько мощности может дать например мембрана 10х10 см?
О вообще сфера применения просто огромная, будем надеяться на промышленное воплощение. Питание приборов на удаленных точках всегда было проблемой. С ходу вспоминается:
— датчики контроля магистральных трубопроводов (вода, нефть, газ)
— состояния ж/д полотна
— охранные и КИП приборы мелких необслуживаемых и неэлекрифицированных площадок на тех же газопроводах
Бывает, что чо связью проблем меньше, чем с питанием.
PerlPower
28.08.2017 01:40+1Есть одно нехитрое правило касетельно чтения новостей об альтернативной энергетике и элементах питания, которе убережет вас от множественных разочарований: пока вы не увидели разработку в виде готового рыночного продукта, который доказал свою эффективность, этой разработки считайте что и нет.
cicatrix
28.08.2017 13:04-1Подскажите, а чисто теоретически мы же можем «снимать» деформацию расширения вселенной и преобразовывать это в электричество?
YMA
28.08.2017 14:38+1Протянуть трос до центра ближайшей галактики и потом пропустить его у нас через валы генератора? Какое-то психоделическое средство извлечения энергии получается…
Может лучше по старинке — сферу Дайсона построим?
Kriminalist
28.08.2017 14:39А наоборот будет работать? Если подавать ток, на какой процент сократятся эти, ВАУ :), нанотрубочные твистроны? Неплохие мышцы могут получится.
prospero78su
29.08.2017 15:26"Десятисантиметровый модуль с закрученными нанотрубками весом 1,08 мг"
Хмм… Ализар?? 0,00108 кг???
Nidere
Извиняюсь за глупый вопрос, но являются ли те же волны принципиально неисчерпаемым источником энергии?
Т.е. чисто гипотетически, забирая энергию волн, мы на какую-то неизмеримую малость тормозим… что? Вращение Земли? Луны?
Можно ли гипотетически(!) испортить себе жизнь таким образом? :)
Wizard_of_light
Вращение Земли и Луны мы тормозим, если используем энергию приливных волн. Если мы используем энергию обычных волн, то это по сути опосредованное использование энергии ветра. Но в конечном итоге мы только встраиваем промежуточное звено в поток энергии — любая волна в итоге всё равно либо затухает от вязкого трения, либо рассеивается о берег.
Nidere
Значит, тогда мы будем забирать эту энергию у берега)
Так бы об него бились волны, а не заряжали наши айфоны.
Thero
к счастью таким образом можно забрать невероятно малую частичку от энергии волн… в общем случае энергия всё равно сделает свой круг и вернётся туда откуда пришла…
ReakTiVe-007
а ветер появляется из за различных по температуре слоев воздуха слоев воздуха, который нагревает солнце. короче, солнечная энергия из 20-х рук.
vasimv
Да, будем постепенно приближаться к Луне. Через много миллионов лет потомки скажут, что загадили Землю до такой степени, что Луну на себя уронили.
Wizard_of_light
Вообще-то усиленно тормозя приливные волны, мы будем удаляться от Луны. И через пару сотен миллионов лет у нас наконец-то двадцать пятый час в сутках появится.
vasimv
Хм, серьезно? Слаб я в этой механике. Думал, что если тормозить вращение Земли, то будем сближаться.
Wizard_of_light
Земля же вокруг оси вращается быстрее, чем Луна по орбите. Так что приливная волна тормозит вращение Земли и ускоряет Луну. По современным измерениям сейчас Луна удаляется в среднем на 3,8 сантиметра в год.
Structure
Волны — это ветер, а не вращение. Вы путаете с приливами.
Из вики
Nidere
Значки степеней, пожалуйста, не забывайте расставлять, а то второй раз читать приходится)
MTyrz
Насколько я могу понимать, забирая энергию ветровых волн, мы просто используем солнечную энергию. Огрубляя, ветер => разница атмосферного давления => разница температур в разных частях атмосферы.
С другой стороны, не стоит забывать о пассатах, у которых привод, если мне не изменяет память, как раз пополам от солнца и вращения Земли. В этом конкретном случае — да, на неизмеримую малость можем тормозить. Причем во многих случаях задача отличения первого случая от второго будет примерно равна задаче Ксанфа.
На второй вопрос, сдается мне, тут уже много раз ответили :)
impetus
кроме того — при волнении в воздух поднимаются брызги, которые, высыхая дают мелкодисперсную соль, каковой частичнки в атмосфере являются основными центрами конденсации при образовании облаков из (пере)охлаждённого пара, от чего вся погода--->климат на планете.
Кроме того у волнистой поверхности сильно разное альбедо и сильно разная проинцаемость лучистой энергии в глубину причём по разным длинам волн разная. У берега волны перемешивают дно, чем опять же спсобсвуют увеличению жинедеятельности всего что движется (повышают конецтрации, разрушают и т.п.),
Т.е. если мы как-то гипотетически — существенно снизим волнистость мирового океана — хренова тьма всего на планете вынуждена будет перебалансироваться — и заранее сказать как в какую сторону практически невозможно и велика вероятность что в весьма худшую для биосферы.
А практически — извлечь пользу из волн очень сложо практически нереально, волновые ГЭС так и остались экспериментами. А вот масштабно но без пользы снизить волны можно отностиельно запросто — налив толстым слоем ПАВ (мировое производство моющих средств — в неск монослоёв землю обернуть) или просто плавающей плёнки)
Francuz2000
Если забрать эту энергию с Земли, то можно.
Dessloch
Таким образом вы испортите жизнь энергетическим монополистам.