Обычный дождь, как электростанция

Обычный дождь, как электростанция

Освоив получение энергии от солнца, ветра, рек и гейзеров, ученые всего мира переключились на активный поиск других возобновляемых источников генерации. Одни группы исследователей пробуют использовать для этого органику, вторые – полимерные материалы, третьи – нано кристаллы в виде квантовых точек. Четвертым перспективным направлением являются попытки получить электрический ток за счет обычного дождя.

Дождь и трибоэлектрический эффект

Как альтернатива солнечным батареям дождь долгое время не рассматривался даже теоретически. Причиной тому была технологическая сложность создания «дождевой» установки с приемлемым КПД. Первый эксперимент, в ходе которого международная группа исследователей из США и Гонконга достигла успеха, был проведен только в 2019 году.

Все предыдущие попытки извлечь энергию из дождя упирались в особенности процесса, известного в физике как трибоэлектрический эффект. Его суть состоит в мгновенном переносе заряда статического электричества от одного материала к другому при соприкосновении – в данном случае от капли воды к электроду.

Сложность реализации заключалась в создании электрического поля варьируемой плотности, позволяющей управлять электрическими токами. Как только технологическое решение проблемы было найдено, экспериментальная батарея позволила сгенерировать 140 Вт электроэнергии за счет падения на приемник всего ОДНОЙ ДОЖДЕВОЙ КАПЛИ. Наглядным сигналом успешности эксперимента стало одновременное включение после ее падения почти 100 светодиодных 1,5-ваттных лампочек.

Генератор электроэнергии капельного типа

После этого создание полноценной установки командой ученых Гонконга и Небраски (США) стало только делом времени. В феврале 2020 года на свет появился первый генератор электроэнергии капельного типа DEG (англ. — droplet electricity generator).

До технологического прорыва гонконгцев и американцев любые попытки выработки тока из падающего дождя позволяли получить плотность энергии не более 0,01 – 0,02 Вт на квадратный метр. Генератор DEG увеличил эти показатели до 50 ватт на квадрат, или в 2500-5000 раз.

Для достижения подобных показателей были использованы:

  • Полевые транзисторы с тремя полюсами. Подобные элементы конструкции вместо стандартных двухполюсных электродов позволяют осуществлять управляемое распределение токов.
  • ПТФЭ, или политетрафторэтилен в качестве поверхностного покрытия батареи. Такой выбор продиктован двумя важными характеристиками этого полимера – термоэлектрической устойчивостью и высоким гидрофобным уровнем влагопоглощения.

При падении капель на рабочую поверхность генератора происходит замыкание цепи, в которой мгновенные дождевые разряды преобразуются транзисторами в квазипостоянный электрический заряд.

Определенные сложности для массового внедрения технологии еще существуют. Однако спустя 5-7 лет капельные генераторы вполне смогут интегрироваться не только в кровли домов, но даже в зонтики.

Дождь и пьезоэлектрический эффект

Огромная польза солнечных электростанций и прочих видов альтернативной энергетики очевидна. Именно это заставляет ученых искать пути извлечения энергии даже из таких естественных природных явлений, как обычный дождь. Помимо создания генераторов на трибоэлектрическом эффекте ведутся попытки использовать и другие физические принципы – в частности, пьезоэлектрический и гидродинамический.

В основе данного метода лежит возможность преобразования в электрический ток гидродинамической энергии капли, если она падает на поверхность с пьезоэлектрическими свойствами. Технически создание подобного устройства не представляет никаких сложностей уже более 150 лет. Однако способ повысить крайне низкий коэффициент конверсии для генераторов подобного типа пока не найден.

Солнечные батареи на кинетической энергии дождевой воды

Третий путь использования больших объемов дождевой воды – преобразование кинетической энергии любой массы при ее падении с высоты. На сегодня известно три варианта практического применения данного физического закона.

  1. Простой сброс. В древнейшие времена осадки наполняли большую емкость, размещенную на опорах, после чего стравливались через отверстие для вращения лопастей деревянного колеса. Сегодня механические колеса могут заменяться электрическими турбинами. Преимущества метода – практически нулевые затраты. Недостатки – кратковременность и эпизодичность получения энергии.
  2. Комбинирование микротурбин с установками по очистке воды. Применяется в Индии, Мексике и некоторых других дождливых странах экваториального пояса для компенсации части энергозатрат на функционирование очистных сооружений.
  3. Комбинирование с солнечными панелями, покрытыми графеном. Новейшее изобретение, в котором этот уникальный материал играет роль конденсатора. Солнечная погода позволяет батареям генерировать ток благодаря поглощению фотонов, а пасмурная – за счет преобразования в него кинетической энергии дождевых капель.

Необычные стартапы

Переход на альтернативные возобновляемые источники энергии настолько актуален, что новые изобретения в данной области нередко делаются гениальными любителями. Одним из подобных стартапов стала дождевая мини-электростанция, созданная обычным школьником Энвером Курбановым.

За выдающиеся успехи в физике и математике парень родом из небольшого поселка был направлен на учебу в «Школу Будущего» (город Калининград, Российская Федерация). Изучив доступную литературу и применив свои способности, 15-летний вундеркинд собрал мини СЭС из деталей общей стоимостью 80 рублей. Несмотря на практически нулевые затраты, в дождливую погоду установка способна генерировать энергию, достаточную для зарядки сразу 300 смартфонов.

Технологические детали изобретения опубликованы не были. Но из официального заявления правительства РФ следует, что Энверу поступило предложение о сотрудничестве от широко известного центра «Сколково».

Потенциал батарей и электростанций нового типа

В настоящий момент солнечная энергетика в мире является ведущим направлением получения энергии из возобновляемых источников. На нее приходится более 50% всей альтернативной генерации. Еще  35% обеспечивает ветер, и около 10% — прочие технологии.

В краткосрочной перспективе ведущая роль солнца не изменится, но на смену батареям сегодняшнего дня придут более дешевые, экологически безопасные и многофункциональные панели. Обязательно найдется место среди них и образцам на капельной технологии. Пока же лидирующие позиции на рынке захватывают тонкопленочные гибриды.

По соотношению цена/качество/производительность лучшими из них следует назвать модули на базе редкоземельного теллурида кадмия CdTe. Этот полупроводник обладает идеальной зоной захвата излучения, хорошо поглощает рассеянный свет, малочувствителен к перегреву и неоптимальным углам наклона к солнцу.

Мировым лидером в производстве CdTe-панелей является концерн First Solar (США). В Украине его продукция распространяется компанией Green Tech Trade. Для установки СЭС «под ключ» оставляйте заявку на нашем сайте и уточняйте детали с консультантами.

 

 

СТРОИТЕЛЬСТВО СОЛНЕЧНЫХ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ "ПОД КЛЮЧ"

ГОТОВЫЕ ИНВЕСТИЦИОННЫЕ ПРОЕКТЫ