Цунами, ураганы и морская погода отслеживаются с помощью датчиков и других устройств на платформах в океане, чтобы помочь обеспечить безопасность прибрежных сообществ — до тех пор, пока батареи на этих платформах не разрядятся. Без питания океанические датчики не могут собирать важные данные о волнах и погоде, что создает проблемы безопасности для прибрежных сообществ, которые полагаются на точную информацию о морской погоде. Замена аккумуляторов в море тоже стоит дорого. Что, если всего этого можно было бы избежать, бесконечно питая устройства энергией океанских волн?
Исследователи Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) работают над тем, чтобы воплотить это в жизнь, разработав новый цилиндрический трибоэлектрический наногенератор (TENG) — небольшую электростанцию, которая преобразует энергию волн в электричество для питания устройств в море. Более крупные версии этого генератора могут использоваться для питания систем наблюдения за океаном и связи, включая акустическую и спутниковую телеметрию.
«TENG недороги, легки и могут эффективно преобразовывать медленные, однородные или случайные волны в энергию, что делает их особенно подходящими для питания устройств в открытом океане, где мониторинг и доступ сложны и дорогостоящи», — пояснил Дэниел Денг, PNNL. лаборант и соавтор нового ТЭН-устройства.
Дэн и его команда применили новый подход к усовершенствованию цилиндрических ТЭНов для использования в открытом океане. Их запатентованный цилиндрический трибоэлектрический наногенератор с умножением частоты (FMC-TENG) использует тщательно расположенные магниты для более эффективного преобразования энергии, чем другие цилиндрические TENG, и для лучшего преобразования медленных однородных волн в электричество. До сих пор прототип FMC-TENG мог производить достаточно электроэнергии для питания акустического передатчика — типа датчика, часто устанавливаемого на платформах для наблюдения за океаном, которые можно использовать для связи. Это примерно то же количество электроэнергии, которое требуется для питания светодиодной лампочки.
«Мы разрабатываем FMC-TENG для питания всего, от платформ наблюдения за океаном с несколькими датчиками до спутниковой связи, и все это с использованием энергии океана», — сказал Дэн.
Искусственный мех, магниты и волны для энергии
Если вы когда-либо были поражены статическим электричеством , то вы лично испытали трибоэлектрический эффект — тот же эффект исследователи используют в FMC-TENG для производства энергии. Цилиндрический ТЭН состоит из двух вложенных друг в друга цилиндров, внутренний цилиндр свободно вращается. Между двумя цилиндрами находятся полоски искусственного меха, алюминиевые электроды и материал, похожий на тефлон, который называется фторированный этиленпропилен (ФЭП). Когда ТЭН катится по поверхности океанской волны, искусственный мех и алюминиевые электроды на одном цилиндре трутся о материал ФЭП на другом цилиндре, создавая статическое электричество, которое можно преобразовать в энергию.
Чем больше движется цилиндрический ТЭН, тем больше энергии он вырабатывает. Вот почему быстрые, частые волны могут генерировать больше энергии, чем более медленные и однородные волны открытого океана. Чтобы придумать TENG, который мог бы питать электронику в открытом океане, Дэн и его команда решили увеличить количество энергии волн, преобразуемой в электричество в FMC-TENG. Как оказалось, ключ был в том, чтобы временно остановить движение внутреннего цилиндра FMC-TENG.
В FMC-TENG команда разместила магниты, чтобы внутренний цилиндр в устройстве не вращался до тех пор, пока он не достигнет гребня волны, позволяя ему накапливать все больше и больше потенциальной энергии. Приблизившись к гребню волны, магниты освободились, и внутренний цилиндр начал очень быстро катиться вниз по волне. Более быстрое движение производило электричество более эффективно, генерируя больше энергии из более медленной волны.
Преобразователь энергии волн открытого океана
В настоящее время прототип FMC-TENG может производить достаточную мощность для работы небольшой электроники, такой как датчики температуры и акустические передатчики. По мере того, как команда дорабатывает свой дизайн для коммерческого использования, ожидается, что FMC-TENG будет производить достаточно энергии для работы всей платформы мониторинга открытого океана, включая несколько датчиков и спутниковую связь. Кроме того, FMC-TENG имеет малый вес и может использоваться как на свободно плавающих устройствах, так и на пришвартованных платформах.
«FMC-TENG уникален тем, что существует очень мало эффективных преобразователей энергии волн, способных генерировать значительную мощность из низкочастотных океанских волн», — сказал Дэн. «Этот тип генератора потенциально может питать интегрированные буи с массивами датчиков для отслеживания данных о воде, ветре и климате в открытом океане , полностью используя возобновляемую энергию океана».
