Когда речь заходит об альтернативных источниках энергии, мы часто представляем себе поля солнечных панелей и огромные ветряные турбины. Эти технологии давно стали привычными, и их преимущества и недостатки исследованы вдоль и поперёк.
Однако научные разработки не стоят на месте, и наряду с уже известными методами появляются новые. Хотя они и не могут производить огромное количество энергии, их основное преимущество заключается в том, что они генерируют электричество там, где оно необходимо. В этой статье мы рассмотрим новые источники энергии, которые, вероятно, будут иметь значительное влияние на нашу жизнь в ближайшие десять лет.
Одежда как термоэлектрический генератор
В 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек открыл, что соединение двух проводников из различных материалов, при нагреве одного и охлаждении другого, вызывает электрический ток. Это явление получило название термоэлектрического эффекта. Суть этого процесса можно описать следующим образом:
-
Разница температур (температурный градиент) в проводнике вызывает тепловой поток;
-
Этот поток приводит к переносу носителей заряда;
-
Перенос носителей заряда между горячими и холодными областями создаёт разность потенциалов.
До открытия полупроводников термоэлектрический эффект не имел практического применения из-за очень низкого коэффициента полезного действия (КПД). Лишь к середине XX века удалось достичь КПД в 5%. На сегодняшний день максимальный КПД термоэлектрических генераторов не превышает 12%, что не позволяет использовать их в крупных промышленных приложениях.
Тем не менее идея получения электроэнергии из разницы температур остаётся привлекательной, и исследования в этой области продолжаются. Совсем недавно учёные из Южной Кореи разработали мягкий и гибкий термоэлектрический генератор (ТЭГ), который, кроме того, является полностью биоразлагаемым и экологически безопасным.
Исследователи разработали инновационный подход, отказавшись от использования линейной схемы для создания температурных градиентов. Они вдохновились полосками зебры и использовали чередование тёмных и светлых полос для создания горячих и холодных областей на достаточно большой поверхности.
На растяжимом биоразлагаемом мономере капролактоне были размещены чёрные полосы из специального полимера, который поглощает солнечный свет. Капролактон, наоборот, отражает солнечное излучение. Такой контраст создаёт значительную разницу температур между чёрными и белыми участками.
Затем конструкция была дополнена кремниевой наномембраной, которая состоит из множества n- и p-легированных кремниевых проводников, имеющих форму змеевика. Эти проводники обладают уникальной способностью растягиваться без разрушения.
Тестирование устройства показало, что в процессе эксплуатации белые области остывают на 8°C ниже окружающей температуры, а чёрные нагреваются на 14°C выше. Таким образом, разница температур достигала 22°C. Кремниевый змеевик преобразовывал эту разницу в электрическую энергию, генерируя до 6 микроватт на квадратный метр.
Такая энергия достаточно для питания датчиков с низким энергопотреблением. Однако для коммерческого применения мощности всё ещё недостаточно. Для улучшения показателей можно использовать более эффективные материалы, например, теллурид висмута, но это скажется на стоимости и эластичности устройства. Исследования показывают, что генерация энергии сохранялась даже при растягивании образца на 30%.
Хотя речь о массовом внедрении одежды, использующей ТЭГ, пока не идёт, в будущем вполне возможно, что смартфоны будут заряжаться в карманах одежды, а умные часы — от рукавов.
Беспроводное питание для миллионов устройств IoT
Устройства интернета вещей, такие как умные часы, фитнес-трекеры, кардиомониторы и системы «умного дома», стали неотъемлемой частью нашей жизни. Однако все они требуют источников питания, и на сегодняшний день существует два способа их зарядки — от проводного источника или от аккумулятора.
Исследователи из Университета науки и технологий имени короля Абдуллы в Саудовской Аравии предложили решение этой проблемы — беспроводное питание для устройств IoT.
Исследователи предлагают сосредоточиться на новых технологиях — фотоэлектрических элементах (PVC), используемых в солнечных панелях, электронике большой площади (LAE) и сборщиках радиочастотной энергии.
Электроника большой площади (LAE) — это новая технология производства электронных устройств, которая используется для создания плоских дисплеев и солнечных батарей. Этот процесс позволяет изготавливать гибкие системы, которые могут быть использованы для создания устройств, обладающих высокой гибкостью.
Применение LAE позволило создать несколько инновационных устройств, включая гибкую искусственную кожу для роботов.
Ключевым ограничением существующих LAE-устройств является их работа на более низких частотах по сравнению с обычной электроникой, что ограничивает их потенциал для беспроводных приложений.
Исследователи из Принстонского университета разработали новую систему на основе LAE, способную работать на гигагерцовых частотах. Эта система использует высокоскоростные самоцентрирующиеся цинк-оксидные транзисторы.
Испытания показали, что система работает на частоте около 1 ГГц и может улучшить беспроводную связь за счёт формирования луча. Это открывает перспективы для создания гибких и быстрых систем LAE, которые смогут эффективно взаимодействовать через беспроводную сеть.
Развитие технологий беспроводного питания для устройств IoT позволяет надеяться, что в будущем мы забудем о необходимости использования батарей для питания маленьких гаджетов, и всё это будет работать с помощью комбинации технологий PVC, LAE и RF.
Твистроны заряжают суперконденсаторы
Электричество можно получать не только за счёт разницы температур, но и от энергии движения. Такие технологии реализуют углеродные нанотрубки, разработанные учеными Техасского университета в Далласе.
Свои исследования команда опубликовала в журнале Nature Energy. Эти высокотехнологичные нити получили название твистроны. Они генерируют электричество при растяжении или скручивании. Эффективность при растяжении составляет 17,4%, а при скручивании — 22,4%.
При частоте движений более 2 герц твистроны показывают значительное превосходство по мощности по сравнению с любыми другими известными материалами. Они также демонстрируют более высокую мощность на широком диапазоне частот.
Экспериментальная установка показала, что массив твистронов весом 3,2 миллиграмма может заряжать суперконденсатор, который в свою очередь способен питать пять маленьких светодиодов, электронные часы или цифровой датчик с 2,8-дюймовым LCD дисплеем.
В одном из экспериментов твистроны были вшиты в тканевую заплатку, которую обернули вокруг локтя человека. Это позволило генерировать электричество при сгибании руки, что открывает перспективы для использования в области сбора энергии.
Кроме того, учёные исследовали возможность генерации электричества с помощью океанских волн. Для этого твистрон был прикреплён между воздушным шаром и дном аквариума, наполненного солёной водой. В условиях, имитирующих обычные или турбулентные волны, твистрон может генерировать от 15 до 17 ватт на килограмм.
Зарядка от городского шума и разговоров
В журнале «Low Power Electronics and Applications» было опубликовано исследование Института нанотехнологий, электроники и приборостроения ЮФУ, которое обещает революцию в области низковольтной электроники. Учёные разрабатывают наногенераторы на основе углеродных нанотрубок, легированных азотом. Эти устройства могут преобразовывать деформации, вибрации городского шума, движения и разговоры в электрическую энергию. В будущем такие генераторы могут стать источниками питания для носимой электроники, такой как смарт-часы, смартфоны и наушники.
Исследователи изучили свойства легированных азотом углеродных нанотрубок (N-УНТ), чтобы оценить их потенциал для создания наногенераторов, преобразующих механическую энергию в электрическую. Они выявили параметры длины, диаметра и модуля Юнга, при которых эти нанотрубки обеспечивают наиболее эффективное преобразование энергии.
Попытки создания подобных наногенераторов начались ещё в 2006 году, однако тогда существовала проблема с материалами. Традиционные пьезокерамические структуры слишком хрупки и токсичны, а наноструктуры на базе оксида цинка и нитрида галлия недостаточно эффективны.
Ученые установили, что легирование нанотрубок азотом пиррольного типа одновременно повышает их механические и пьезоэлектрические характеристики, что значительно улучшает эффективность генерации тока при деформации.
Другим важным открытием стало установление зависимости пьезоэлектрических свойств N-УНТ от их длины и диаметра. В отличие от традиционных пьезоэлектрических материалов, где такие характеристики не зависят от геометрии, в N-УНТ наблюдается линейное увеличение пьезоэлектрического модуля при увеличении аспектного отношения длины к диаметру (в пределах 7–30). Это открытие позволяет создавать высокоэффективные материалы для преобразования механической энергии.
В дальнейшем, с развитием технологий, возможно массовое применение таких наногенераторов, и тогда городские шумы и разговоры могут стать новым источником питания для современных гаджетов.
Ветрогенератор NG: искусственный лист для сбора энергии из ветра и дождя
Энергию ветра и дождевых капель можно собирать не только с помощью крупных ветряных турбин. Итальянские исследователи предложили инновационную систему, которая интегрируется с растениями, превращая их в источник энергии. Устройство генерирует электричество из дождевых капель или ветра, что позволяет использовать его, например, для питания светодиодов в условиях дождя или ветра.
Ветрогенератор NG представляет собой искусственный лист, содержащий слой силиконового эластомера, расположенный вдоль его нижней части. Когда он размещается среди настоящих листьев, они начинают двигаться под воздействием ветра. Это движение вызывает взаимодействие между поверхностями искусственного листа и кутикулой растения, что приводит к возникновению статических зарядов. Эти заряды индуцируются в клетках растения, генерируя ток, который можно собрать с помощью электрода, встроенного в ткань растения.
Учёным удалось создать устройство, которое может генерировать электричество не только от ветра, но и от дождевых капель. Для этого они добавили слой фторированного этиленпропилена (FEP) на верхнюю часть искусственного листа, дополнительно к силиконовому слою. Когда капли дождя падают на этот слой, они создают заряд и соединяют электроды, встроенные в лист, что позволяет сформировать конденсатор. При растекании капель по поверхности изменяется ёмкостная связь между электродами, создавая ток.
В ходе испытаний система, встроенная в листья живых растений, продемонстрировала способность собирать энергию при разных погодных условиях. В результате было установлено, что отдельные капли могут генерировать пики напряжения более 40 вольт и ток до 15 микроампер, что достаточно для питания 11 светодиодов.
Новые возможности для текстиля
Ковры, ставшие объектами мемов, могут вновь стать популярными после обновления концепции. Команда из Университета Ноттингем Трент создала коврик, в который встроены 1200 фотоэлементов, сплетённых в текстиль.
В результате получилась солнечная панель, которая сохраняет свойства обычного текстиля. Такой коврик гибкий, пропускает воздух и приятен на ощупь.
Фотоэлементы размером 5×1,5 мм почти не ощущаются при использовании. Они припаяны к медным проводам, покрыты водонепроницаемым полимером и вплетены в пряжу.
Мощность, генерируемая ковриком, достигает 400 мВт, что позволяет заряжать мобильные устройства, такие как телефоны или смарт-часы. В ходе испытаний было установлено, что при интенсивности солнечного света 0,86 материал генерирует 335,3 мВт, а при освещённости 1,0 — до 394 мВт.
Этот текстильный солнечный элемент можно стирать при температуре до 40 °C. В промышленном исполнении он будет оснащён USB-портами для подключения различных устройств.
Технологии на основе песчаных батарей
Одна из значительных проблем современной электроэнергетики — это охлаждение. Особенно актуально это для дата-центров, где для отвода тепла применяют различные технологии, такие как горячие коридоры и принудительная вентиляция. Однако, есть ли способы работы с нагретым воздухом?
Этот вопрос заинтересовал инженеров Маркку Юленена и Томми Эронена, и они предложили инновационное решение: для хранения тепла используется 100 тонн дешёвого кварцевого песка. Такой песок может поддерживать высокую температуру более трёх месяцев, что значительно увеличивает эффективность накопления тепла.
Первая система, созданная компанией Polar Night Energy, была установлена в городе Ватаянкоски, на электростанции, обеспечивающей централизованное отопление. Установка обладает мощностью 100 кВт и ёмкостью 8 МВт·ч. Это решение позволяет значительно повысить использование возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая, которые имеют переменную выработку.
Система позволяет собирать тепло от местных источников, таких как дата-центры, и эффективно использовать его в централизованной системе отопления. В случае, если температура теплоносителя окажется ниже необходимого уровня, система компенсирует разницу с помощью песчаного аккумулятора.
Эта технология продемонстрировала высокую эффективность, её мощности хватает даже для поддержания температуры воды в бассейне зимой.
Системы на базе песчаных аккумуляторов полностью автоматизированы и могут достигать номинальной мощности до 100 МВт с ёмкостью хранения до 20 ГВт·ч. Прогнозируемая стоимость системы составляет менее 10 евро за кВт·ч.
По мнению создателей, системы на базе песчаных аккумуляторов являются эффективным решением для накопления энергии от нестабильных источников, таких как ветер и солнце, и могут играть важную роль в обеспечении стабильности энергетических сетей.
Заключение
Энергетические технологии развиваются быстрыми темпами, охватывая не только бытовую сферу, но и элементы повседневной жизни, включая сады, предметы интерьера и одежду. Это означает, что в будущем мы сможем не беспокоиться о зарядке аккумуляторов для смартфонов и других устройств, поскольку источники энергии будут присутствовать повсюду, обеспечивая бесперебойную работу миллионам устройств IoT.