Een onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van de City University of Hong Kong (CityU) heeft onlangs een op druppels gebaseerde elektriciteitsgenerator (DEG) ontwikkeld met een veldeffecttransistor (FET)-achtige structuur die een hoge energieconversie-efficiëntie en onmiddellijk vermogen mogelijk maakt dichtheid duizenden keren die van zijn tegenhangers zonder FET-technologie. Dit zou helpen om het wetenschappelijk onderzoek naar de opwekking van waterenergie vooruit te helpen en de energiecrisis aan te pakken.

Het onderzoek werd samen geleid door professor Wang Zuankai van de afdeling Werktuigbouwkunde van CityU, Professor Zeng Xiao Cheng van de Universiteit van Nebraska-Lincoln, en professor Wang Zhong Lin, stichtend directeur en hoofdwetenschapper van het Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems van de Chinese Academie van Wetenschappen. Hun bevindingen werden gepubliceerd in Natuur in een studie getiteld "Een op druppels gebaseerde elektriciteitsgenerator met een hoge momentane vermogensdichtheid."

Efficiëntie van elektrische energieomzetting sterk verbeterd

Ongeveer 70% van het aardoppervlak is bedekt met water. Maar laagfrequente kinetische energie in golven, getijden, en zelfs regendruppels worden niet efficiënt omgezet in elektrische energie vanwege beperkingen in de huidige technologie. Bijvoorbeeld, een conventionele druppelenergiegenerator op basis van het tribo-elektrisch effect kan elektriciteit opwekken die wordt opgewekt door contactelektrificatie en elektrostatische inductie wanneer een druppel een oppervlak raakt. Echter, de hoeveelheid ladingen die op het oppervlak wordt gegenereerd, wordt beperkt door het grensvlak-effect, en als een resultaat, de energieomzettingsefficiëntie is vrij laag.

Om de conversie-efficiëntie te verbeteren, het onderzoeksteam heeft twee jaar gewerkt aan de ontwikkeling van de DEG. Zijn onmiddellijke vermogensdichtheid kan oplopen tot 50,1 W/m ² , duizenden keren hoger dan andere vergelijkbare apparaten zonder het gebruik van een FET-achtig ontwerp. En de efficiëntie van de energieomzetting is aanzienlijk hoger.

Professor Wang van CityU wees erop dat er twee cruciale factoren zijn voor de uitvinding. Eerst, het team ontdekte dat de continue druppeltjes die op PTFE vallen, een elektreetmateriaal met een quasi-permanente elektrische lading, biedt een nieuwe route voor de accumulatie en opslag van oppervlakteladingen met een hoge dichtheid. Ze ontdekten dat wanneer waterdruppels continu het oppervlak van PTFE raken, de gegenereerde oppervlakteladingen zullen zich ophopen en geleidelijk een verzadiging bereiken. Deze nieuwe ontdekking hielp het knelpunt van lage ladingsdichtheid te overwinnen dat in eerder werk werd aangetroffen.

Unieke veldeffecttransistorachtige structuur

Een ander belangrijk kenmerk van hun ontwerp is een unieke set structuren vergelijkbaar met een FET, de basisbouwsteen van moderne elektronische apparaten. Het apparaat bestaat uit een aluminium elektrode en een indiumtinoxide (ITO) elektrode met daarop een laagje PTFE. De PTFE/ITO-elektrode is verantwoordelijk voor het genereren van lading, opslag en inductie. Wanneer een vallende waterdruppel het PTFE/ITO-oppervlak raakt en zich verspreidt, het "overbrugt" natuurlijk de aluminiumelektrode en de PTFE/ITO-elektrode, vertalen van het oorspronkelijke systeem in een gesloten elektrisch circuit.

Met dit speciale ontwerp, een hoge dichtheid van oppervlakteladingen kan worden geaccumuleerd op het PTFE door continue druppelinslag. In de tussentijd, wanneer het verspreidende water de twee elektroden verbindt, alle opgeslagen ladingen op de PTFE kunnen volledig worden vrijgegeven voor het genereren van elektrische stroom. Als resultaat, zowel de momentane vermogensdichtheid als de energieconversie-efficiëntie zijn veel hoger.

"Ons onderzoek toont aan dat een druppel van 100 microliter water die vrijkomt vanaf een hoogte van 15 cm een ​​spanning van meer dan 140V kan genereren. En de opgewekte stroom kan 100 kleine LED-lampjes doen oplichten, zei professor Wang.

Hij voegde eraan toe dat de toename van de momentane vermogensdichtheid niet het gevolg is van extra energie, maar van de omzetting van kinetische energie van water zelf. "De kinetische energie die vallend water met zich meebrengt, is te wijten aan de zwaartekracht en kan worden beschouwd als gratis en hernieuwbaar. Het moet beter worden benut."

Uit hun onderzoek blijkt ook dat de verlaging van de relatieve vochtigheid geen invloed heeft op de efficiëntie van de energieopwekking. Ook, zowel regenwater als zeewater kunnen worden gebruikt om elektriciteit op te wekken.

Vergemakkelijkt de duurzaamheid van de wereld

Professor Wang hoopte dat de uitkomst van dit onderzoek zou helpen bij het oogsten van waterenergie als antwoord op het wereldwijde probleem van een tekort aan hernieuwbare energie. "Het opwekken van stroom uit regendruppels in plaats van olie en kernenergie kan de duurzame ontwikkeling van de wereld vergemakkelijken, " hij voegde toe.

Hij geloofde dat op den duur het nieuwe ontwerp kan op verschillende oppervlakken worden toegepast en geïnstalleerd, waar vloeistof in contact komt met vaste stof, om de laagfrequente kinetische energie in water volledig te benutten. Dit kan variëren van het rompoppervlak van de veerboot, kustlijn, op het oppervlak van paraplu's of zelfs in waterflessen.