Ajatus sadepisaroiden muuttamisesta sähköksi ei tunnu niin epärealistiselta, kun otetaan huomioon jatkuva etsintä uusista vaihtoehtoisista uusiutuvan energian lähteistä. Kiinassa tunnettuihin fysikaalisiin ilmiöihin perustuva lähestymistapa voi muuttaa kaiken. Esittelemämme tutkimus keskittyy siihen, miten putoavan veden kineettistä energiaa voidaan hyödyntää.
Sisältö
Tämä lähestymistapa perustuu arkkitehtuuriin, jossa vesisäiliö integroidaan järjestelmään korvaamaan jäykät tuet ja raskaat metallit. Tämän kiinalaisen tutkimuksen ensimmäiset testit tuottavat tärkeitä tietoja sateenpisaroiden muuttamisen sähköksi -teknologian jatkokehitykselle kevyiden ja edullisten rakenteiden avulla.
Mikä on sateenpisaroiden sähköksi muuttava järjestelmä ja kuka sen on kehittänyt?
National Science Review -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa kuvataan Nankingin ilmailu- ja avaruustieteiden yliopiston tutkijaryhmän työtä. Ehdotus perustuu W-DEG-järjestelmään (Water-integrated Droplet Electricity Generator), joka on kelluva generaattori, joka muuntaa putoavien sadepisaroiden energian sähköksi.
W-DEG-laite ei vaadi jäykkiä rakenteita ja pysyy pinnalla, mikä takaa sen joustavan käytön järvissä, tekoaltaissa tai rannikkoalueilla. Sen yläpinnalla on dielektrinen kalvo. Kun pisara putoaa tälle kerrokselle, varauksien uudelleenjakautuminen tuottaa sähköisen impulssin.
Vesi itsessään toimii samanaikaisesti mekaanisena tukena ja alempana elektrodina. Tällainen yhdistelmä edistää energian vakaata muuntamista sähkövirraksi. Nestemäisessä ympäristössä olevat ionit toimivat varauksen kantajina ja lisäävät järjestelmän tehokkuutta.
Tutkimus osoittaa, että tällainen kokoonpano poistaa raskaiden materiaalien tarpeen. Kokonaispaino vähenee kahdeksankymmentä prosenttia verrattuna perinteisiin metallirakenteisiin, ja kustannukset puolittuvat.
Jokainen pisara voi tuottaa noin 250 voltin huippujännitteen, joka on verrattavissa kiinteästi maadoitettujen generaattoreiden jännitteeseen. Ryhmän johtaja professori Wanglin Guo sanoo: ”Antamalla veden suorittaa sekä rakenteellisia että sähköisiä toimintoja, se avaa uuden tavan tuottaa sähköenergiaa sadevedestä.”
Toinen rakenteen erityispiirre ovat mikroskooppiset viemärireiät. Ne mahdollistavat voimakkaiden sateiden aikana kertyneen veden valumisen pois. Tämä toimenpide ylläpitää dielektrisen kalvon puhtautta ja estää häiriöitä varauksen siirrossa.
Lisäksi rakenne hyötyy veden pintajännityksestä, joka pitää rakenteen paikallaan iskun aikana ja edistää pisaroiden leviämistä.
W-DEG:n toimintaperiaate ja rakenne
Laite perustuu kolmikomponenttiseen kaavaan: yläelektrodi, dielektrinen kerros ja alempi vesimassa. Prosessi alkaa pisaran osuessa kalvoon.
Synnyttynyt paine yhdistettynä veden kokoonpuristumattomuuteen edistää pisaran laajenemista pinnalla. Samanaikaisesti nestemäisessä ympäristössä olevat ionit sulkevat sähköpiirin. Mekanismi sisältää:
Dielektrinen kalvo: heijastaa varauksien uudelleenjakautumisen.
Vesisäiliö: toimii alempana elektrodina ja tarjoaa fyysisen tuen.
Mikroviemäri: ohjaa ylimääräisen veden alaspäin.
Veden käyttäytyminen on ratkaisevan tärkeää. Sen pintajännitys vakauttaa dielektrisen kalvon iskun yhteydessä, ja sen ionikoostumus takaa riittävän johtavuuden.
Tuloksena on toistuvien signaalien järjestelmä, joka sopii pienitehoisten laitteiden virransyöttöön. Iskun ja sähköstaattisen induktion yhdistelmä mahdollistaa sadepisaroiden muuntamisen sähköenergiaksi 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, joka sisälsi jälkiä biologisista sedimenteistä.
Mahdollisia sovellusalueita tälle järjestelmälle, joka muuntaa sadepisarat sähköenergiaksi.
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 vesialtaisiin, kanaviin tai rannikkoalueille.
Modulaarinen rakenne mahdollistaa yksiköiden lisäämisen tietojen keräämisen mahdollisuuksien laajentamiseksi. Tutkimuksessa ehdotetaan integrointia ekologisiin järjestelmiin suolapitoisuuden, pilaantumisen tai veden laadun mittaamiseksi. Lisäksi tarkastellaan seuraavia liitäntävaihtoehtoja:
- Sähkönsyöttö antureille syrjäisillä alueilla.
- Vähäisen energiankulutuksen viestintäjärjestelmät.
- Mikro-lentokoneet alueilla, joilla sataa usein.
Tämä lähestymistapa ei ole tarkoitettu korvaamaan tuuli- tai aurinkoteknologiaa. Sen tehtävä on 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 vaihtelu, joka voi vaikuttaa toiminnan vakauteen. Dielektristen kalvojen kestävyys avoimissa ympäristöissä vaatii edelleen parannusta. Tarvitaan myös varastointistrategioita, jotka kompensoivat sateen aiheuttamaa keskeytyksiä.
