Ajatus sadepisaroiden muuntamisesta sähköksi ei tunnu niin uskomattomalta, kun otetaan huomioon jatkuva etsintä uusista vaihtoehtoisista uusiutuvista energialähteistä . Kiinassa tunnettuihin fysikaalisiin ilmiöihin perustuva lähestymistapa voi muuttaa kaiken. Tutkimus, jonka tulokset aiomme esitellä, käsittelee sitä, miten voidaan hyödyntää putoavan veden kineettistä energiaa.
Sisältö
Tämä lähestymistapa perustuu arkkitehtuuriin, joka integroi vesialtaan itse järjestelmään korvaamalla jäykät tuet ja raskaat metallit. Tämän kiinalaisen tutkimuksen puitteissa tehdyt ensimmäiset testit antavat tärkeitä tietoja sateenpisaroiden muuntamisen sähköenergiaksi kevyiden ja edullisten rakenteiden avulla .
Järjestelmä, joka muuntaa sateenpisarat sähköksi.
National Science Review -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa kuvataan Nankingin ilmailu- ja avaruustieteiden yliopiston tutkijaryhmän työtä. Ehdotus perustuu W-DEG (Water-integrated Droplet Electricity Generator) -järjestelmään, joka on kelluva generaattori, joka muuntaa putoavien sadepisaroiden energian sähköksi .
W-DEG-laite ei tarvitse kiinteitä rakenteita ja pysyy pinnalla, mikä mahdollistaa joustavan käytön järvissä, tekoaltaissa tai rannikkoalueilla. Sen yläpinnalla on dielektrinen kalvo. Kun pisara putoaa tälle kerrokselle, varauksien uudelleenjakautuminen tuottaa sähköisen impulssin.
Vesi itsessään toimii sekä mekaanisena tukena että alempana elektrodina. Tämä yhdistelmä edistää energian vakaata muuntamista sähkövirraksi. Nestemäisessä ympäristössä olevat ionit toimivat varauksen kantajina ja parantavat järjestelmän suorituskykyä .
Tutkimus korostaa, että tällainen kokoonpano poistaa tarpeen käyttää raskaita materiaaleja . Kokonaispaino on 80 prosenttia pienempi kuin perinteisissä metallirakenteissa, ja kustannukset ovat puolet pienemmät.
Jokainen pisara voi tuottaa noin 250 voltin huippujännitteen, joka on verrattavissa kiinteästi maadoitettujen generaattoreiden jännitteisiin. Ryhmän johtaja professori Wangling Go sanoo: ”Antamalla veden suorittaa sekä rakenteellisia että sähköisiä toimintoja avautuu uusi tapa tuottaa sähköenergiaa sadevedestä.”
Toinen rakenteen erityispiirre ovat mikroskooppiset viemärireiät. Ne mahdollistavat kertyneen veden valumisen pois voimakkaiden sateiden aikana. Tämä toimenpide ylläpitää dielektrisen kalvon puhtautta ja estää häiriöitä varauksen siirrossa. Rakenne hyötyy myös veden pintajännityksestä, joka tukee rakennetta iskun aikana ja edistää pisaroiden leviämistä.
W-DEG:n toiminta ja rakenne
Laite perustuu kolmikomponenttiseen kaavaan: yläelektrodi, dielektrinen kerros ja alempi vesimassa . Prosessi alkaa pisaran osuessa kalvoon. syntyvä paine yhdistettynä veden kokoonpuristumattomuuteen edistää pisaran laajenemista pinnalla. Samanaikaisesti nestemäisessä ympäristössä olevat ionit sulkevat sähköpiirin. Mekanismi sisältää:
- Dielektrinen kalvo: heijastaa varauksien uudelleenjakautumisen.
- Vesistö: toimii alempana elektrodina ja fyysisenä tukena.
- Mikroviemäröinti: ohjaa ylimääräisen veden alaspäin.
Veden käyttäytyminen on avainasemassa. Sen pintajännitys vakauttaa dielektrisen kalvon iskun hetkellä, ja ionikoostumus varmistaa riittävän johtavuuden.
Tuloksena on toistuvien signaalien järjestelmä, joka sopii pienitehoisten laitteiden virransyöttöön. Iskun ja sähköstaattisen induktion yhdistelmä mahdollistaa sadepisaroiden muuntamisen sähköksi erilaisissa luonnonolosuhteissa.
Testit suoritettiin 0,3 neliömetrin kokoisella prototyypillä. Tämä malli pystyi syöttämään virtaa viidellekymmenelle LED-valolle ja lataamaan pieniä kondensaattoreita muutamassa minuutissa. Suorituskyky pysyi vakaana eri lämpötiloissa ja suolapitoisuuksissa, jopa järvivedessä, jossa oli jälkiä biologisesta kasvustosta.
Mahdolliset sovellusalueet tälle järjestelmälle, joka muuntaa sadepisarat sähköksi.
W-DEG:n kelluva rakenne avaa mahdollisuuksia sovelluksiin alueilla, joilla perinteisten laitteiden asennus on rajoitettua. Kuten jo mainittiin, se ei vaadi maaperää tai jäykkiä alustoja, mikä helpottaa sen sijoittamista säiliöihin, kanaviin tai rannikkoalueille.
Modulaarinen rakenne mahdollistaa lohkojen lisäämisen tietojen keräyskapasiteetin kasvattamiseksi. Tutkimuksessa ehdotetaan integrointia ympäristöjärjestelmiin suolapitoisuuden, pilaantumisen tai veden laadun mittaamiseksi. Lisäksi tarkastellaan seuraavia yhteyksiä:
- Sensorien virransyöttö syrjäisillä alueilla.
- Vähäisen energiankulutuksen viestintäjärjestelmät.
- Mikrovalaistus alueilla, joilla sataa usein.
Tämä lähestymistapa ei ole tarkoitettu korvaamaan tuuli- tai aurinkoteknologiaa. Sen tehtävä täydentää niitä, erityisesti sateisina päivinä, jolloin aurinkosähkön tuotanto vähenee. Sadepisaroiden muuntaminen sähköksi on vaihtoehto hajautetuille energiaverkostoille tai tiettyjen energiantarpeiden tyydyttämiselle.
Lopuksi ongelmia ovat pisaroiden koon ja nopeuden vaihtelevuus, joka voi vaikuttaa toiminnan vakauteen. Dielektristen kalvojen kestävyys avoimessa ympäristössä vaatii edelleen parannusta. Tarvitaan myös varastointistrategioita, jotka kompensoivat sadekuurojen aiheuttamaa epäsäännöllisyyttä.
