Когда заходит речь об альтернативной энергетике, мы чаще всего представляем плантации солнечных панелей и лес гигантских ветряков. А ещё становится скучно, потому что все достоинства и недостатки «зелёных» источников энергии изучены вдоль и поперёк. 

Однако наука не стоит на месте, и кроме набивших оскомину вариантов появились новые. И пусть они не выдают впечатляющих тераватт энергии, зато создают её ровно там, где она нужна. В этом посте поговорим о новых источниках энергии, которые с большой вероятностью изменят нашу жизнь в ближайшее десятилетие (но это не точно). 

Одежда как термоэлектрический генератор

В 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что если соединить два проводника из разных материалов, один нагреть, а второй охладить, между ними потечёт электрический ток. Так был открыт термоэлектрический эффект. Для нас это выглядит довольно просто: 

1. Разница температур (температурный градиент) в токопроводящем материале создаёт тепловой поток; 

2. Это приводит к переносу носителей заряда;

3. Поток носителей заряда между горячими и холодными областями, в свою очередь, создает разность потенциалов.

До открытия полупроводников, термоэлектрический эффект не находил практического применения из-за катастрофически низкого КПД. Поднять его до 5% удалось только к середине XX века. Но несмотря на все усилия, даже у современных термоэлектрогенераторов этот показатель не превышает 12%, что не позволяет всерьёз рассматривать такие устройства для практического применения. 

Тем не менее идея получать бесплатное электричество из разницы температур оказалась настолько привлекательна, что исследования в этом направлении продолжаются. Совсем недавно стало известно, что южно-корейские учёные из Института Кванджу придумали мягкий и гибкий термоэлектрический генератор (ТЭГ), который к тому же соответствует «зелёной» тематике и полностью разлагается в естественных условиях. 

Исследователи решили отказаться от линейной схемы создания разницы температур. Вместо этого вдохновились полосками зебры, и на базе узора с чередованием тёмных и светлых полос создали горячие и холодные области на достаточно большой для выработки электроэнергии поверхности.

На белом листе из растяжимого биоразлагаемого мономера капролактона разместили чёрные полосы специального полимера, который поглощает солнечный свет. Капролактон имеет обратные свойства — он отражает солнечный свет. Чередующиеся чёрные и белые полосы создают горячие и холодные области.

«Зебру» из разрисованного капролактона совместили с кремниевой наномембраной, которая представляет собой массив из нескольких n- и p-легированных кремниевых проводников, выращенных в форме змеевика. Волнистая структура проводов помогает им растягиваться, не ломаясь.

Размещённое на открытом воздухе устройство показало отличный результат: белые части стали на 8°C холоднее, чем температура окружающей среды, а чёрные полосы нагрелись на 14°C выше окружающего воздуха. Максимальная разница температур, таким образом, достигла 22°C. Кремниевый змеевик преобразовывал эту разницу температур в электрическую энергию, генерируя максимальную мощность около 6 микроватт на квадратный метр (мкВт/м²).

Такого количества энергии уже вполне хватает для работы датчиков с низким энергопотреблением, хотя её всё ещё недостаточно для коммерческого применения. Для увеличения выходной мощности можно перейти на более эффективные материалы, например, теллурид висмута, но исчезнет другое достоинство нового устройства — дешевизна, эластичность и полная биоразлагаемость. По словам учёных, генерация энергии сохранялась, даже когда образец растягивали в 1,3 раза.

Разумеется, пока не идёт речи о массовом внедрении ТЭГ-одежды, но вполне возможно, что в ближайшем десятилетии наши смартфоны будут заряжаться в карманах джинсов, а умные часы — от рукава пиджака. 

Беспроводное питание для миллионов устройств IoT

Устройства интернета вещей, маленькие и незаметные, стали привычной частью нашей жизни. Умные часы, фитнес-трекеры, кардиомониторы, системы безопасности «умный дом» и другие гаджеты добавляют комфорта, от которого очень сложно отказаться. Но у всех этих устройство есть одно слабое место — для работы им требуется электроэнергия. И на сегодняшний день есть два варианта её получения — по проводам от розетки или от аккумулятора, внешнего или встроенного в гаджет. 

Группа исследователей из Университета науки и технологий имени короля Абдуллы (KAUST) в Саудовской Аравии работает над этой проблемой и в своем последнем исследовании предлагает интересное решение — беспроводное питание для массивов IoT.

Авторы исследования считают, беспроводное энергоснабжение устройств IoT будет идеальным решением проблемы с питанием от встроенных аккумуляторов. Для этого они предлагают сосредоточиться на новых технологиях — фотоэлектрических элементах (PVC), используемых в солнечных панелях, электронике большой площади (LAE) и сборщиках радиочастотной (RF) энергии.

Электроника большой площади (LAE) — новая технология производства электронных устройств, представляющая собой печать или крупномасштабную литографию. Такой процесс используется для создания плоских дисплеев и солнечных батарей. С его помощью можно создавать системы площадью в несколько квадратных метров, обладающие высокой гибкостью, как у бумаги или пластика.

В течение последнего десятилетия команды по всему миру работали над системами LAE. Это привело к созданию множества инновационных устройств, например, гибкой и чувствительной искусственной кожи для роботов.

Ключевым ограничением существующих устройств на основе LAE была работа на более низких частотах по сравнению с электроникой на основе обычных микросхем. Это существенно ограничивает их потенциал для беспроводных приложений, несмотря на все преимущества.

Исследователи из Принстонского университета создали новую беспроводную систему на основе технологии LAE, которая может работать на гигагерцовых частотах. Эта система представляет собой массив высокоскоростных самоцентрирующихся цинк-оксидных тонкопленочных транзисторов.

Для повышения скорости работы исследователи увеличили метрику базовых транзисторов более чем на порядок, а затем разработали схемы, использующие эту метрику. Наконец, они использовали методы фазовой синхронизации на уровне архитектуры, которые не требовали компонентов, снижающих скорость системы.

Тестирование устройства LAE показало, что оно работает на частоте около 1 ГГц. Также было установлено, что их система обладает возможностями формирования луча, что означает, что она способна улучшить беспроводную связь с целями. Таким образом, в будущем их работа может проложить путь к созданию больших и гибких систем LAE, способных быстро выполнять вычисления и связываться с другими системами посредством беспроводной технологии.

Развитие технологий беспроводного питания IoT вселяет уверенность в том, что в ближайшем будущем мы забудем о батареях для питания небольших гаджетов, а работать всё это будет на базе комбинации таких технологий, как PVC, LAE и RF.

Твистроны заряжают суперконденсаторы

Получать электричество можно не только из разницы температур, но и из энергии движения. Именно этими занимаются новые нити из углеродных нанотрубок, разработанных в Техасском университете в Далласе.

Результаты своего исследования они опубликовали в журнале Nature Energy. Свои высокотехнологичные нити они назвали твистронами. Твистроны вырабатывают электричество при растяжении или скручивании, причём эффективность при растяжении составляет 17,4%, а при скручивании — 22,4%. 

Когда дело доходит до сбора энергии от движений с частотой более 2 герц, средняя и пиковая мощность новых твистронов значительно превышает мощность любого другого известного материала. Они также демонстрируют более высокую мощность в широком диапазоне частот, чем любой другой известный материал.

Экспериментальная установка показала, что массив твистронов весом всего 3,2 миллиграмма может заряжать суперконденсатор, который, в свою очередь, может питать пять маленьких светодиодов, электронные часы или цифровой датчик влажности и температуры с 2,8-дюймовым жидкокристаллическим дисплеем. 

В одном из экспериментов исследователи вшили твистроны в заплатку из хлопчатобумажной ткани, которую затем обернули вокруг локтя человека, где она могла вырабатывать электричество при сгибании руки для потенциального применения в зондировании и сборе энергии.

Кроме того, учёные исследовали возможность получения электроэнергии из океанских волн, прикрепив твистрон между воздушным шаром и дном аквариума, наполненного солёной водой. Они обнаружили, что в сценариях, имитирующих обычные волны или турбулентные воды, он может выдавать в среднем от 15 до 17 ватт на килограмм.

Зарядка, которая работает от городского шума и болтовни

Опубликованное в журнале «Low Power Electronics and Applications» исследование Института нанотехнологий, электроники и приборостроения ЮФУ обещает настоящий переворот в низковольтной электронике. Учёные разрабатывают наногенераторы на основе углеродных нанотрубок, легированных азотом, которые преобразовывают деформации и вибрации городского шума, движений и разговора человека в электрическую энергию. В будущем эти генераторы могут стать новыми источниками автономного питания для всей носимой электроники — смарт-часов, смартфонов, наушников и других гаджетов.

Специалисты Института изучали свойства легированных азотом углеродных нанотрубок (N-УНТ) на предмет возможности их использования в качестве материала для создания наногенераторов, способных преобразовывать и накапливать энергию из окружающей среды. Они установили значения длины, диаметра и модуля Юнга N-УНТ, обеспечивающие наиболее эффективное преобразование внешних механических воздействий в электрический потенциал.

Попытки разработать наногенераторы, преобразующие механическую энергию окружающей среды в электрическую с помощью пьезоэлектрического эффекта, начались ещё в 2006 году. Основной проблемой стало отсутствие подходящего материала, поскольку традиционные пьезокерамические структуры не только слишком хрупкие, но ещё и токсичные из-за наличия в составе свинца. А пьезоэлектрические полупроводниковые наноструктуры на базе оксида цинка и нитрида галлия недостаточно эффективны и не дают достаточного количества энергии.

Учёные установили, что легирование нанотрубки азотом пиррольного типа одновременно увеличивает как механические, так и пьезоэлектрические параметры, позволяя заметно повысить величину генерируемого при деформации тока.

Ещё одним важным открытием стала выявленная зависимость пьезоэлектрических свойств N-УНТ от их длины и диаметра. Если в классических пьезоэлектриках величина пьезоэлектрического модуля не зависит от геометрических параметров, то в N-УНТ при невысоких значениях аспектного отношения длины к диаметру (7–30) наблюдается линейное увеличение пьезоэлектрического модуля, а при больших значениях аспектного отношения зависимость уходит в насыщение. Таким образом, использование массивов N-УНТ с аспектным отношением около 30 позволяет добиться высокого значения пьезоэлектрического модуля и сохранить высокую чувствительность к внешним механическим воздействиям.

Осталось лишь дождаться воплощения идеи в промышленных масштабах, и тогда, вернувшись домой, мы будем просить близких говорить погромче, чтобы наши гаджеты заряжались быстрее. Одиноким же придётся открывать окна, чтобы впустить насыщенный энергией шум городских улиц. 

Ветрогенератор NG: искусственный лист черпает энергию из ветра и капель дождя

Энергию ветра и воды можно собирать не только с помощью гигантских ветряков и турбин. Итальянские учёные придумали систему сбора энергии, которая можно встроить прямо в растения. Она генерирует электричество из капель дождя или порывов ветра. В дождливую или ветреную погоду устройство даёт достаточно электроэнергии для питания светодиодных фонарей. 

Ветрогенератор NG представляет собой искусственный лист, содержащий слой силиконового эластомера вдоль нижней части. Если поместить его среди листьев настоящего растения, они будут двигаться под воздействием ветра. При соприкосновении и разъединении поверхностей на кутикуле листа растения и на искусственном листе возникают статические заряды, которые индуцируются во внутренней клеточной ткани растения, создавая ток. Собрать этот ток можно с помощью электрода, вставленного в ткань растения.

Учёные сумели добиться, чтобы их устройство получало электричество не только из ветра, но и собирало энергию из дождевых капель. Для этого к слою силиконового эластомера вдоль нижней части искусственного листа они добавили ещё один слой из фторированного этиленпропилена (FEP) на верхней части. Когда капли дождя падают на этот верхний слой, они заряжают поверхность и соединяют электроды, встроенные внутри и сверху искусственного листа, создавая конденсатор. Когда капли дождя сжимаются и растекаются по поверхности листа, емкостная связь между электродами изменяется, создавая ток.

В ходе экспериментов система искусственных листьев, встроенная в листья живого растения, собирала энергию при различном количестве осадков и ветра. Оказалось, что отдельные капли воды создают пики напряжения и тока более 40 вольт и 15 микроампер и могут напрямую питать 11 светодиодов. 

Коврик на стене уже не тот

Ковры на стене, ставшие героями мемов, могут вернуться после ребрендинга. Причиной может послужить открытие команды Университета Ноттингем Трент. Им удалось встроить 1200 фотоэлементов в пряжу и сплести из неё коврик. 

В результате получилась солнечная панель со свойствами обычного текстиля. Её можно мять в руках, как обычное полотно. Она пропускает воздух и приятна на ощупь. 

Встроенные в ткань фотоэлементы размером 5×1,5 мм практически неощутимы. Они припаяны к двум медным проводам, покрыты водонепроницаемым полимером и традиционным образом вплетены в пряжу..

Коврик-панель выдаёт до 400 мВт электрической энергии. Этого достаточно для зарядки мобильного телефона или смарт-часов. Испытания показали, что материал генерирует выходную мощность 335,3 мВт при солнечном свете интенсивностью 0,86. Под солнцем 1,0 он будет генерировать до 394 мВт.

Текстильную солнечную панель можно стирать при температуре 40 °C. В промышленном исполнении она будет включать в себя USB-порты для подключения устройств.

Песчаные батареи

Одной из важнейших проблем современной электроники является охлаждение. Об этом знают все строители дата-центров. Чтобы отвести тепло от серверного оборудования, они используют горячие коридоры и принудительную вытяжку и добиваются своего. Но можно ли что-то сделать с нагретым воздухом? 

Эта мысль не давала покоя финским инженерам Маркку Юленену и Томми Эронену, и они придумали интересное решение: горячий воздух поступает в тепловом аккумуляторе, представляющий собой 100 тонн дешёвого кварцевого песка. Нагретый песок может оставаться горячим более трёх месяцев, чем и воспользовались инженеры. 

Первая система Polar Night Energy была установлена ​​на электростанции города Ватаянкоски, управляющей централизованным теплоснабжением в этом районе. Установка имеет 100 кВт тепловой мощности и 8 МВт·ч энергетической ёмкости. Аккумулирование тепла помогает увеличить использование возобновляемых источников энергии, выработка от которых имеет прерывистый характер из-за штиля или пасмурной погоды. 

Polar Night Energy в Ватаянкоски собирает тепло от местных дата-центров в свою систему централизованного теплоснабжения. По стандарту тепловой агент должен иметь температуру от 75 до 100 °С перед подачей в систему централизованного теплоснабжения. Если температура окажется слишком низкой, аккумулятор Polar Night скомпенсирует разницу. 

Система достаточно эффективна. Её мощности вполне достаточно даже для поддержания температуры воды в городском бассейне в течение долгой арктической зимы. 

Системы на базе песчаных аккумуляторов полностью автоматизированы и имеют номинальную мощность до 100 МВт, а ёмкость хранения до 20 ГВт-ч. Прогнозируемая стоимость системы составляет менее 10 евро за кВт-ч накопительной ёмкости. 

По мнению создателей компании, объём генерации от возобновляемых источников энергии, таких как ветровая и солнечная энергия, очень изменчив и сильно отличается от пиков потребления. Но массовый переход на эти нестабильные источники электроэнергии требует решения проблемы накопления и сохранения энергии. Песчаные станции позволяют перерабатывать дешёвую и чистую избыточную электроэнергию в ценное тепло доступным способом, который можно затем использовать, когда это необходимо.

Заключение

Энергетика стремительно развивается, проникая в наши сады, предметы интерьера и даже одежду. Это значит, что совсем скоро мы уже не будем обращать внимания на ёмкость аккумуляторов смартфонов и других гаджетов, поскольку источники энергии будут окружать нас повсюду, а сама энергия будет наполнять пространство, запитывая миллионы устройств IoT. 

Ну а пока это благодатное время не настало, продолжаем подключаться к розеткам и запасаться повербанками. Потому что без электричества весь дивный новый мир теряет значительную часть своих красок. 

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

— 15% на все тарифы VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.