Генератор, производящий электричество за счет воздействия капель дождя

Исследователи разработали магнитоэлектрический генератор, который вырабатывает электричество за счет удара капель дождя. Когда капли дождя падают на поверхность устройства, они приводят в движение структуру, состоящую из катушки — в отличие от постоянного магнита, — которая генерирует небольшие электрические заряды, которые, объединяясь и усиливаясь через трансформатор, могут питать, например, светодиоды или небольшие вентиляторы. Это открывает путь к созданию альтернативного источника возобновляемой энергии, не зависящего от ветра или солнечного света и не нуждающегося в размещении на водоеме (реке, озере или океане).

В связи с глобальными целями перехода к «зеленой» энергетике спрос на возобновляемые источники энергии (солнечной, ветровой, гидроэлектрической и т. д.) постоянно растет. Более того, учитывая, что вода покрывает почти 71 % поверхности Земли, гидроэнергетика является самым распространенным источником энергии на Земле. Однако на ее долю приходится лишь около 16 % мировых потребностей в электроэнергии.

В природе существуют две формы гидроэнергетики: агрегированная и дисперсная. Агрегатная гидроэнергия поступает, например, из рек, морских волн и приливов, а дисперсная — из дождевой воды и тумана. Однако, несмотря на широкую доступность дисперсной гидроэнергии, большая часть используемой нами гидроэнергии приходится на агрегированную гидроэнергию.

Это связано с тем, что электростанции оснащены электромагнитными генераторами большого объема для использования агрегированной гидравлической энергии. Такой объем переработки позволяет распределять электроэнергию в больших масштабах. Однако эти электростанции недостаточно чувствительны, чтобы улавливать рассеянную гидравлическую энергию из-за ее легкости, малого количества и широкого распространения.

Потери гидравлической энергии могут достигать 5 000 000 джоулей на 100 квадратных метров крыши в год в дождливых регионах. Чтобы компенсировать эти потери, команда из Даляньского технологического университета в Китае предложила новое устройство для эффективного преобразования гидравлической энергии дождевых капель в электричество. Результаты исследования подробно описаны в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Может питать светодиоды и вентиляторы

Новое устройство, получившее название супергидрофобный магнитоэлектрический генератор (MSMEG), состоит из трех основных частей: гибкой пленки из супергидрофобного магнитного материала (SMMF), катушки, неодимового магнита (постоянного магнита, изготовленного из сплава неодима, железа и бора), акрилового корпуса и основы из расширяемого полистирола (EPS).

Стоит отметить, что модели гидроэлектрических генераторов, работающих от дождевых капель, уже предлагались ранее, например, трибоэлектрические генераторы (преобразующие механическую энергию в электрическую) и электромагнитные генераторы. Однако большинство из этих устройств не могут генерировать достаточно стабильное и высокое электрическое напряжение для практического применения. Кроме того, они недостаточно чувствительны, чтобы улавливать крошечные количества энергии из мелких дождевых капель.

Напротив, устройство, о котором идет речь в новом исследовании, способно эффективно преобразовывать энергию мелких водяных капель в электричество. Для этого SMMF легко деформируется, когда капли попадают на него, смещая катушку относительно магнита. Это смещение затем генерирует электрическое напряжение. Супергидрофобное свойство пленки позволяет каплям отскакивать и не скапливаться на поверхности устройства, что позволяет ему нормально функционировать даже во время длительного ливня. «Мы считаем, что такой MSMEG должен стать перспективной стратегией для эффективного сбора рассеянной энергии дождевых капель«, — пишут исследователи в своей статье.

Видео, на котором устройство освещает небольшую светодиодную установку.

Чтобы оценить эффективность устройства, исследователи смоделировали дождь, падающий с высоты около 50 сантиметров. Математическая модель, известная как численное моделирование Максвелла, была использована для получения оценок электрической мощности в зависимости от различных факторов.

Устройство смогло генерировать максимальный электрический ток в 13,02 миллиампера (мА). Это позволило зарядить небольшой электрический конденсатор напряжением около 1,18 В за 200 секунд при постоянной интенсивности дождя. Такая мощность позволяет, например, питать небольшие электронные устройства, такие как светодиоды и вентиляторы.

Однако практическое применение такого типа устройств пока остается ограниченным, поскольку полученная энергия не может быть распределена в больших масштабах. Кроме того, устройства, работающие на солнечной и ветровой энергии, в настоящее время более просты для использования в небольших масштабах. Тем не менее, масштабирование устройства, способного эффективно использовать рассеянную гидроэнергию, может расширить спектр доступных возобновляемых источников энергии и, возможно, снизить их стоимость.