Использование трибоэлектрического эффекта в генераторах

Источник: phys.org

Всем известно, что если потереть палочку из янтаря шерстяной тканью, то появится электрический заряд. То же самое происходит, если долго расчесывать волосы пластмассовой расческой. Это называется трибоэлектрическим эффектом. Чаще всего в быту такие явления приносят только неприятности. Но команда ученых Технологического Института Джорджии под руководством профессора Чжун Линь Вана нашла способ, как собрать это «бесполезную» электричество. Первоначально профессор Ван и его коллеги занимались изучением другого эффекта — пьезоэлектрического. Но в ходе экспериментов один из генераторов показал более высокую мощность, чем ожидалось. Как потом оказалось, из-за ошибки в сборке устройства возникло трение между двумя полимерными поверхностями. В итоге выход тока на генераторе увеличился.

Через шесть месяцев ученые представили первую схему трибоэлектрического генератора. Это было в 2012 году. С тех пор профессор Ван добился значительного увеличения выходной мощности и КПД генератора. Теперь с одного квадратного метра однослойного материала можно получать до 300 Вт, а плотность мощности в объеме достигает 400 кВт на кубический метр, при КПД свыше 50%. В наиболее простой форме трибоэлектрический генератор представляет собой два листа разнородных материалов, один из которых является донором электронов, а другой — акцептором. Когда материалы контактируют друг с другом, электроны перетекают с одного материала на другой. Если листы затем отделить друг от друга, на одном из листов образуется электрический заряд. В случае подсоединения электрической нагрузки к двум электродам на внешней поверхности этих листов, в сети будет течь малый ток, стремящийся к выравниванию зарядов. Непрерывно повторяя процесс, можно получить переменный ток (хотя уже созданы трибоэлектрические генераторы и для постоянного тока).

В качестве контактирующих материалов используются недорогие гибкие полимеры. Для увеличения выходной мощности к полимерным листам применяются микронные шаблоны, позволяющие структурировать поверхность. В итоге увеличивается площадь контакта и эффективность переноса заряда. Новая технология позволяет добывать электроэнергию из самых разных источников — от ходьбы людей, проезда машин, ветра, вибрации, океанских волн и так далее. А один из последних отчетов группы профессора Вана посвящен получению энергии от сенсорных панелей портативных компьютеров. В трибоэлектрических генераторах может использоваться широкий спектр дешевых и доступных материалов — различные полимеры, ткани и даже бумага. Помимо выработки электричества, технология может также обеспечить развитие автономных датчиков, не нуждающихся в источниках питания.