Генерация тока от света

Генерация тока от света

• Главная
• Энергия

• Солнце
• Ветер
• Вода
• Земля
• Рынок

• Домой >
• Энергия

На грани света и тени: новый генератор производит электричество за счет эффекта затенения

Обычно тени вызывают у людей неприятные ассоциации, но ученым из Национального университета Сингапура удалось поправить эту ситуацию – они продемонстрировали, как можно вырабатывать электричество с помощью столь привычного оптического эффекта. Новая технология позволяет получать в закрытых помещениях экологически чистую энергию, которой хватает для зарядки гаджетов.

Исследователи разработали простое и недорогое устройство под названием SEG (shadow-effect energy generator), использующее контраст света и тени. Отчет об изобретении был опубликован в журнале Energy & Environmental Science.

Обычные фотоэлементы вырабатывают ток, когда на них попадает свет, а тень снижает эффективность их работы. Ученые воспользовались разностью потенциалов между поверхностями с различным освещением – этот эффект и порождает электрический ток.

Для того чтобы заряжать смартфоны, умные очки или часы, требуется стабильный источник энергии. Гаджеты используются как в домах, так и на улице, и было бы удобно, если бы можно было постоянно восполнять их заряд. Солнечные батареи способны выполнять эту функцию на открытом воздухе, однако в помещениях их эффективность существенно снижается. Новая разработка направлена на устранение этой проблемы – SEG может не только вырабатывать электроэнергию, будучи частично в тени, но и служить датчиком движения. Когда мимо него кто-то проходит, отброшенная прерывистая тень автоматически включает счетчик для регистрации присутствия объекта.

Новый миниатюрный генератор состоит из набора ячеек, размещенных на прозрачной пластиковой основе. Одна ячейка – это тонкая золотая пленка, нанесенная на кремниевую подложку. В тоже время, себестоимость производства SEG ниже по сравнению с обычными солнечными батареями.

Когда устройство находится в тени, или свет падает на всю его поверхность, оно производит очень мало электроэнергии. Ситуация меняется при частичном освещении. Максимальный эффект достигается, когда свет падает на половину поверхности SEG. В ходе тестов выяснилось, что девайс демонстрирует вдвое большую эффективность в условиях смены света и тени по сравнению с обычным кремниевым фотоэлементом. Выработанного устройством электричества хватило для зарядки электронных часов.

Команде из 6 человек потребовалось 4 месяца для разработки и испытания SEG. Ученые намерены провести эксперименты с другими материалами с целью исключить использование золота и удешевить выпуск подобных устройств. В перспективе они могут использоваться для создания автономных многофункциональных сенсоров, которые можно нашить на одежду для выработки электроэнергии в течение дня. Ученые также хотят разработать недорогие солнечные панели SEG, которые смогли бы работать при искусственном освещении.

А вы что думаете по этому поводу? Дайте нам знать – напишите в комментариях!

Ученые получили «полимерные наноковры» на графене для генерации тока под действием света

Ученые Томского политехнического университета вместе с зарубежными коллегами нашли способ модифицировать сверхтонкий проводник электричества и тепла — графен, не разрушая его. Благодаря новому способу ученым удалось синтезировать на образцах графена хорошо структурированный полимер с сильной ковалентной связью. Такой структуре авторы дали название «полимерный ковер». Вся структура обладает высокой стабильностью, она меньше подвержена деградации со временем, что делает исследование перспективным для развития органической гибкой электроники. Кроме того, если поверх «наноковра» добавить слой дисульфид молибдена, то полученная структура генерирует электрический ток под действием света. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Materials Chemistry C (IF: 5,256; Q1).

Графен — одновременно самое прочное, легкое и электропроводящее соединение углерода. Он может использоваться при создании солнечных батарей, экранов смартфонов, гибкой и тонкой электроники и даже в фильтрах для воды, поскольку графеновая пленка пропускает молекулы воды и при этом задерживает все остальные соединения. Для успешного применения графена необходимо встраивать его в сложные структуры. Однако это непросто. Как отмечают ученые, сам по себе графен достаточно стабилен и плохо вступает в реакции с другими соединениями. Чтобы соединить его с другими элементами, то есть модифицировать его, графен разрушают. Это сказывается на свойствах полученных материалов. «При разрушении графена нужно быть очень осторожным. Если перестараться, то теряются уникальные свойства графена. Поэтому мы решили пойти по другому пути».

В графене есть неизбежные нанодефекты, например, на стыке граней. В такие дефекты часто присоединяются атомы водорода. И вот этот водород может взаимодействовать с другими элементами", — говорит профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Рауль Родригес.

Для модификации графена авторы статьи используют тонкую металлическую подложку, на которой размещается слой графена. Затем на графен наносится раствор с молекулами бром-полистирола. Молекулы взаимодействуют с водородом и присоединяются на уже существующие дефекты, в результате получается полигексилтиофен (P3HT). Далее под действием света, в процессе фотокатализа, полимер начинает «расти».

«В итоге мы получили образцы, структура которых напоминает «полимерный ковер», как мы назвали их в статье. Поверх такого «полимерного ковра» помещается дисульфид молибдена. За счет уникальной комбинации материалов получается «сэндвич», который работает как солнечная батарея. То есть, он генерирует электрический ток под действием света.

Наши эксперименты поставлены так, что между молекулами полимера и графеном образуется прочная ковалентная связь — это очень важно для стабильности получаемого материала", — отмечает Рауль Родригес.

По словам исследователя, этот метод модификации графена, с одной стороны, позволяет получать очень прочное соединение, с другой — он достаточно простой и дешевый, так как используются доступные соединения. Кроме того, метод универсальный, он позволяет соединять графен с самыми разными полимерами.

«Прочность полученного соединения достигается и за счет того, что мы не разрушаем сам графен, а используем уже существующие дефекты, и за счет прочной ковалентной связи между молекулами полимера. Это позволяет нам рассматривать исследование как перспективное для развития тонкой и гибкой электроники, когда солнечную батарею можно будет пришить на одежду, и при деформации она не сломается», — поясняет ученый.

Читайте также.

• Российские ученые модернизировали прибор для лучевого лечения рака с помощью 3D-печати
• В ТПУ разработали самый большой в России томограф для термоядерного реактора
• В России придумали, как управлять свойствами керамики

10 альтернативных источников энергии, о которых вы ничего не знали

Тысячи людей каждый день проходят через турникеты при входе на железнодорожные станции. Сразу в нескольких исследовательских центрах мира появилась идея использовать поток людей в качестве инновационного генератора энергии. Японская компания East Japan Railway Company решила оснастить каждый турникет на железнодорожных станциях генераторами. Установка работает на вокзале в токийском районе Сибуя: в пол под турникетами встроены пьезоэлементы, которые производят электричество от давления и вибрации, которую они получают, когда люди наступают на них.

Другая технология «энерго-турникетов» уже используется в Китае и в Нидерландах. В этих странах инженеры решили использовать не эффект нажатия на пьезоэлементы, а эффект толкания ручек турникета или дверей-турникетов. Концепция голландской компании Boon Edam предполагает замену стандартных дверец при входе в торговые центры (которые обычно работают по системе фотоэлемента и сами начинают крутиться) на двери, которые посетитель должен толкать и таким образом производить электроэнергию.

В голландском центре Natuurcafe La Port такие двери-генераторы уже появились. Каждая из них производит около 4600 киловатт-час энергии в год, что на первый взгляд может показаться незначительным, но служит неплохим примером альтернативной технологии по выработке электричества.

Водоросли отапливают дома

Водоросли стали рассматриваться в качестве альтернативного источника энергии относительно недавно, но технология, по мнению экспертов, очень перспективна. Достаточно сказать, что с 1 гектара площади водной поверхности, занятой водорослями, в год можно получать 150 тысяч кубометров биогаза. Это приблизительно равно объёму газа, который выдает небольшая скважина, и достаточно для жизнедеятельности небольшого поселка.

Зеленые водоросли просты в содержании, быстро растут и представлены множеством видов, использующих энергию солнечного света для осуществления фотосинтеза. Всю биомассу, будь то сахара или жиры, можно превратить в биотопливо, чаще всего в биоэтанол и биодизельное топливо. Водоросли — идеальное эко-топливо, потому что растут в водной среде и не требуют земельных ресурсов, обладают высокой продуктивностью и не наносят ущерба окружающей среде.

По оценкам экономистов, к 2018 году глобальный оборот от переработки биомассы морских микроводорослей может составить около 100 млрд долларов. Уже существуют реализованные проекты на «водорослевом» топливе — например, 15-квартирный дом в немецком Гамбурге. Фасады дома покрыты 129 аквариумами с водорослями, служащими единственным источником энергии для отопления и кондиционирования здания, получившего название Bio Intelligent Quotient (BIQ) House.

«Лежачие полицейские» освещают улицы

Концепцию выработки электроэнергии при помощи так называемых «лежачих полицейских» начали реализовывать сначала в Великобритании, затем в Бахрейне, а скоро технология дойдет и до России. Все началось с того, что британский изобретатель Питер Хьюс создал «Генерирующую дорожную рампу» (Electro-Kinetic Road Ramp) для автомобильных дорог. Рампа представляет собой две металлические пластины, немного поднимающиеся над дорогой. Под пластинами заложен электрический генератор, который вырабатывает ток всякий раз, когда автомобиль проезжает через рампу.

В зависимости от веса машины рампа может вырабатывать от 5 до 50 киловатт в течение времени, пока автомобиль проезжает рампу. Такие рампы в качестве аккумуляторов способны питать электричеством светофоры и подсвечиваемые дорожные знаки. В Великобритании технология работает уже в нескольких городах. Способ начал распространяться и на другие страны — например, на маленький Бахрейн.

Самое удивительное, что нечто подобное можно будет увидеть и в России. Студент из Тюмени Альберт Бранд предложил такое же решение по уличному освещению на форуме «ВУЗПромЭкспо». По подсчетам разработчика, в день по «лежачим полицейским» в его городе проезжает от 1000 до 1500 машин. За один «наезд» автомобиля по оборудованному электрогенеретором «лежачему полицейскому» будет вырабатываться около 20 ватт электроэнергии, не наносящей вред окружающей среде.

Больше, чем просто футбол

Разработанный группой выпускников Гарварда, основателей компании Uncharted Play, мяч Soccket может за полчаса игры в футбол сгенерировать электроэнергию, которой будет достаточно, чтобы несколько часов подпитывать LED-лампу. Soccket называют экологически чистой альтернативой небезопасным источникам энергии, которые нередко используются жителями малоразвитых стран.

Принцип аккумулирования энергии мячом Soccket довольно прост: кинетическая энергия, образуемая от удара по мячу, передается крошечному механизму, похожему на маятник, который приводит в движение генератор. Генератор производит электроэнергию, которая накапливается в аккумуляторе. Сохраненная энергия может быть использована для питания любого небольшого электроприбора — например, настольной лампы со светодиодом.

Выходная мощность Soccket составляет шесть ватт. Генерирующий энергию мяч уже завоевал признание мирового сообщества: получил множество наград, был высоко оценен организацией Clinton Global Initiative, а также получил хвалебные отзывы на известной конференции TED.

Скрытая энергия вулканов

Одна из главных разработок в освоении вулканической энергии принадлежит американским исследователям из компаний-инициаторов AltaRock Energy и Davenport Newberry Holdings. «Испытуемым» стал спящий вулкан в штате Орегон. Соленая вода закачивается глубоко в горные породы, температура которых благодаря распаду имеющихся в коре планеты радиоактивных элементов и самой горячей мантии Земли очень высока. При нагреве вода превращается в пар, который подается в турбину, вырабатывающую электроэнергию.

На данный момент существуют лишь две небольшие действующие электростанции подобного типа – во Франции и в Германии. Если американская технология заработает, то, по оценке Геологической службы США, геотермальная энергия потенциально способна обеспечить 50% необходимого стране электричества (сегодня ее вклад составляет лишь 0,3%).

Другой способ использования вулканов для получения энергии предложили в 2009 году исландские исследователи. Рядом с вулканическими недрами они обнаружили подземный резервуар воды с аномально высокой температурой. Супер-горячая вода находится где-то на границе между жидкостью и газом и существует только при определенных температуре и давлении.

Ученые могли генерировать нечто подобное в лаборатории, но оказалось, что такая вода встречается и в природе — в недрах земли. Считается, что из воды «критической температуры» можно извлечь в десять раз больше энергии, чем из воды, доведенной до кипения классическим образом.

Энергия из тепла человека

Принцип термоэлектрических генераторов, работающих на разнице температур, известен давно. Но лишь несколько лет назад технологии стали позволять использовать в качестве источника энергии тепло человеческого тела. Группа исследователей из Корейского ведущего научно-технического института (KAIST) разработала генератор, встроенный в гибкую стеклянную пластинку.

Т акой гаджет позволит фитнес-браслетам подзаряжаться от тепла человеческой руки — например, в процессе бега, когда тело сильно нагревается и контрастирует с температурой окружающей среды. Корейский генератор размером 10 на 10 сантиметров может производить около 40 милливат энергии при температуре кожи в 31 градус Цельсия.

Похожую технологию взяла за основу молодая Энн Макосински, придумавшая фонарик, заряжающийся от разницы температур воздуха и человеческого тела. Эффект объясняется использованием четырех элементов Пельтье: их особенностью является способность вырабатывать электричество при нагреве с одной стороны и охлаждении с другой стороны.

В итоге фонарик Энн производит довольно яркий свет, но не требует батарей-акуумуляторов. Для его работы необходима лишь температурная разница всего в пять градусов между степенью нагрева ладони человека и температурой в комнате.

Шаги по «умной» тротуарной плитке

На любую точку одной из оживленных улиц приходится до 50000 шагов в день. Идея использовать пешеходный поток для полезного преобразования шагов в энергию была реализована в продукте, разработанном Лоуренсом Кемболл-Куком, директором британской Pavegen Systems Ltd. Инженер создал тротуарную плитку, генерирующую электроэнергию из кинетической энергии гуляющих пешеходов.

Устройство в инновационной плитке сделано из гибкого водонепроницаемого материала, который при нажатии прогибается примерно на пять миллиметров. Это, в свою очередь, создаёт энергию, которую механизм преобразует в электричество. Накопленные ватты либо сохраняются в литиевом полимерном аккумуляторе, либо сразу идут на освещение автобусных остановок, витрин магазинов и вывесок.

Сама плитка Pavegen считается абсолютно экологически чистой: ее корпус изготовлен из нержавеющей стали специального сорта и переработанного полимера с низким содержанием углерода. Верхняя поверхность изготовлена из использованных шин, благодаря этому плитка обладает прочностью и высокой устойчивостью к истиранию.

Во время проведения летней Олимпиады в Лондоне в 2012 году плитку установили на многих туристических улицах. За две недели удалось получить 20 миллионов джоулей энергии. Этого с избытком хватило для работы уличного освещения британской столицы.

Велосипед, заряжающий смартфоны

Чтобы подзарядить плеер, телефон или планшет, необязательно иметь под рукой розетку. Иногда достаточно лишь покрутить педали. Так, американская компания Cycle Atom выпустила в свет устройство, позволяющее заряжать внешний аккумулятор во время езды на велосипеде и впоследствии подзаряжать мобильные устройства.

Продукт, названный Siva Cycle Atom, представляет собой легкий велосипедный генератор с литиевым аккумулятором, предназначенным для питания практически любых мобильных устройств, имеющих порт USB. Такой мини-генератор может быть установлен на большинстве обычных велосипедных рам в течение считанных минут. Сам аккумулятор легко снимается для последующей подзарядки гаджетов. Пользователь занимается спортом и крутит педали — а спустя пару часов его смартфон уже заряжен на 100 поцентов.

Компания Nokia в свою очередь тоже представила широкой публике гаджет, присоединяемый к велосипеду и позволяющий переводить кручение педалей в способ получегия экологически безопасной энергии. Комплект Nokia Bicycle Charger Kit имеет динамо-машину, небольшой электрический генератор, который использует энергию от вращения колес велосипеда и подзаряжает ей телефон через стандартный двухмиллиметровый разъем, распространенный в большинстве телефонов Nokia.

Польза от сточных вод

Любой крупный город ежедневно сбрасывает в открытые водоемы гигантское количество сточных вод, загрязняющих экосистему. Казалось бы, отравленная нечистотами вода уже никому не может пригодиться, но это не так — ученые открыли способ создавать на ее основе топливные элементы.

Одним из пионеров идеи стал профессор Университета штата Пенсильвания Брюс Логан. Общая концепция весьма сложная для понмания неспециалиста и построена на двух столпах — применении бактериальных топливных ячеек и установке так называемого обратного электродиализа. Бактерии окисляют органическое вещество в сточных водах и производят в данном процессе электроны, создавая электрический ток.

Для производства электричества может использоваться почти любой тип органического отходного материала – не только сточные воды, но и отходы животноводства, а также побочные продукты производств в виноделии, пивоварении и молочной промышленности. Что касается обратного электродиализа, то здесь работают электрогенераторы, разделенные мембранами на ячейки и извлекающие энергию из разницы в солености двух смешивающихся потоков жидкости.

«Бумажная» энергия

Японский производитель электроники Sony разработал и представил на Токийской выставке экологически чистых продуктов био-генератор, способный производить электроэнергию из мелко нарезанной бумаги. Суть процесса заключается в следующем: для выделения целлюлозы (это длинная цепь сахара глюкозы, которая находится в зеленых растениях) необходим гофрированный картон.

Цепь разрывается с помощью ферментов, а образовавшаяся от этого глюкоза подвергается обработке другой группой ферментов, с помощью которых высвобождаются ионы водорода и свободные электроны. Электроны направляются через внешнюю цепь для выработки электроэнергии. Предполагается, что подобная установка в ходе переработки одного листа бумаги размером 210 на 297 мм может выработать около 18 Вт в час (примерно столько же энергии вырабатывают 6 батареек AA).

Метод является экологически чистым: важным достоинством такой «батарейки» является отсутствие металлов и вредных химических соединений. Хотя на данный момент технология еще далека от коммерциализации: электричества вырабатывается достаточно мало – его хватает лишь на питание небольших портативных гаджетов.

Влияние на окружающую среду

Потребление энергии присуще почти всем видам хозяйственной деятельности человека, а именно – отоплению домов, приготовлению пищи, движению транспортных средств, промышленности, сельскохозяйственному производству и т.д.. Освоение различных видов энергии в мировом масштабе привело к беспрецедентному росту уровня жизни. Сегодняшние люди очень зависимы от энергии. Мы не задумываемся о, том, откуда берется энергия, пока у нас не отключают свет или отопление. Если же это случается, мы не можем полноценно жить или работать.

Основные источники энергии, доступные сейчас человеку, можно классифицировать следующим образом:

• ископаемое топливо (уголь и горючие сланцы, нефть, природный газ);
• ядерная и термоядерная энергия;
• возобновляемые энергетические ресурсы (энергия воды, ветра, солнца, термальных вод, древесины, торфа и т.д.).

Производство энергии существенно влияет на состояние окружающей среды. Сжигание ископаемого твердого и жидкого топлива сопровождается выделением сернистого, углекислого и угарного газов, а также оксидов азота, пыли, сажи и других загрязняющих веществ.

Добыча угля открытым способом и торфоразработки ведут к изменению природных ландшафтов, а иногда – и к их разрушению. Разливы нефти и нефтепродуктов при добыче и транспортировке способны уничтожить все живое на огромных территориях (акваториях).

Очень плохо сказывается на ландшафтах, растительном и животном мире создание инфраструктуры, необходимой для угле-, нефте- и газодобычи.

Строительство и эксплуатация крупных гидроэлектростанций приводит к: отселению людей из зоны затопления, уничтожению ценных видов рыб, для которых плотины становятся непреодолимыми препятствиями на пути к нерестилищу, потере лесов и высокоплодородных земель, увеличению риска возникновения разрушительных землетрясений в предгорных и горных районах, повышению риска катастрофических наводнений в местностях, находящихся ниже по течению, изменению ландшафтов и их разрушению.

Атомная энергетика является потенциально опасной из-за возможных аварии на энергоустановках, сопровождающиеся выбросом в окружающую среду радиоактивных материалов. Кроме того, возникают проблемы переработки ядерных отходов и их захоронения, что обходится очень дорого и не имеет надежного инженерного решения. Ядерные отходы остаются опасными в течение сотен и тысяч лет. Особенно актуальна эта тема для Украины, которая пострадала от последствий взрыва на Чернобыльской АЭС.

Несмотря на очевидные преимущества, возобновляемые источники энергии также могут негативно влиять на окружающую среду. Эксплуатация станций, производящих энергию с помощью возобновляемых энергетических источников, связанна с изъятием из обращения значительных земельных участков и, вероятно, в будущем будет сопровождаться теми или иными негативными последствиями для окружающей среды: изменениями ландшафтов (ветряки, солнечные батареи), повышенный уровень шума (ветряки), загрязнение почв (геотермальные энергоустановки и установки, работающие на биомассе), губительными воздействиями на другие природные ресурсы (приливно-отливные электростанции).

В последние годы мировые политики и население выражают опасения из-за обострения глобальных экологических проблем – таких, как кислотные осадки и изменение климата, а также из-за последствий воздействия этих процессов на окружающую среду.

Учитывая вышеописанную ситуацию, рациональным решением можно считать энергосбережения. Именно оно должно стать приоритетным в стратегии развития любой страны, ведь запасы традиционных источников энергии ограничены.

Ниже иллюстрируем Вам структуру баланса электрической энергии, которая была куплена ГП «Энергорынок» у производителей электрической энергии и продана энергопоставщикам в 2017 году.