Инженеры предложили уникальную технологию выработки энергии из капель воды
Свежий номер
РГ-Неделя
Родина
Тематические приложения
Союз
Свежий номер
11.02.2020 12:53
Рубрика:
Общество
Наталья Панасенко
City University of Hong Kong/ Nature
Команда ученых, возглавляемая учеными из Городского университета Гонконга, разработала генератор, который производит электричество от падающих капель воды. Достаточно всего одной капли, чтобы заставить генератор произвести энергию, с помощью которой можно зажечь 100 маленьких светодиодных ламп. Устройство открывает совершенно новые способы выработки электроэнергии, сообщают исследователи в журнале Nature.
Устройство состоит из слоя оксида индия и олова (ITO), который покрыт полимерным политетрафторэтиленом (PTFE), более известным как тефлон. Этот электроизоляционный материал представляет собой так называемый электрет, который может накапливать электрические заряды, например, в результате трения.
Небольшой кусочек алюминия соединяет оба слоя и служит электродом.
Когда капля воды падает на водоотталкивающую поверхность PTFE/ITO и распространяется по ней, она создает электрический заряд в результате электрохимических взаимодействий. Причем электроэнергия не теряется после каждой капли, а накапливается. «С увеличением количества капель воды, ударяющихся о поверхность, накапливаются поверхностные заряды с высокой плотностью», — сообщают Цуанкай Ванг, руководитель проекта. — После примерно 16 000 падений поверхностный заряд достигает стабильного значения около 50 нанокулон».
Теперь вступает в игру второй процесс: вода, растекающаяся по поверхности, образует «мостик» между алюминиевым электродом и слоем PTFE/ITO. Это создает замкнутую электрическую цепь, через которую может течь заряд. По своей структуре, объясняют исследователи, система похожа на полевой транзистор, полупроводниковый прибор.
Опыты показали, что одна 100-микролитровая капля водопроводной воды, падающая с высоты 15 см, может генерировать напряжение 140 Вольт и ток 270 микроампер.
«Этой электроэнергии достаточно, чтобы засветилась сотня маленьких светодиодов», — говорит Цуанкай Ванг. Генератор на капельной основе, утверждают ученые, в тысячу раз эффективнее, чем предыдущие аналоги.
По словам исследователей, их генератор может использовать не только водопроводную воду, но и морскую, и даже капли дождя. Ученые адаптировали конструкцию для дождевой воды: вода сначала собиралась, а затем распределялась по капиллярам, через которые мерно падали капли. Морскую воду можно дозировать аналогичным образом.
«Регулируя диаметр капилляра и высоту падения капли, мы можем контролировать размер и скорость капель и, следовательно, количество вырабатываемой энергии», — говорят коллеги Ванга.
По словам ученых, эта технология открывает новые возможности для использования энергии воды. «Кинетическая энергия падающей воды обусловлена гравитацией и поэтому может рассматриваться как свободно доступная и возобновляемая. Но ее следует использовать лучше, — говорит Ванг.
— Электричество из капель воды вместо нефти или ядерной энергии может способствовать устойчивому развитию мира».
Капельный генератор особенно подходит для децентрализованного производства электроэнергии. И он может быть установлен везде, где идет дождь или есть вода. Например, на корпусе корабля или на поверхности зонта.
Наука
Главное сегодня
В МИД Китая обвинили США в разжигании войн и конфронтаций по всему миру
В Брянскую область проникла украинская ДРГ: убит местный житель
Российский космонавт полетел к МКС на американском Crew Dragon
Пленный рассказал о мобилизации в ВСУ подростков
Объем внешнего госдолга РФ сократился впервые за три года
Генерал Фазлетдинов: Россия разрабатывает новый вид военных операций для защиты от США
Разработан новый способ получения электричества из воды
Главная / Энергия воды / Новый способ получения электричества из воды
Морская вода для получения электричества
Учёные с помощью солнечного света смогли превратить морскую воду (h3O) в перекись водорода (h3O2), которую можно использовать в топливных элементах для выработки электроэнергии.
Это первый способ производства перекиси водорода на основе фотохимического катализа, который показал достаточно высокую эффективность, обеспечивая возможность широкомасштабного использования Н2О2 в топливных элементах.
Учёные Университета Осаки под руководством Шуничи Фукузуми опубликовали в последнем выпуске журнала Nature Communications научную статью (Seawater usable for production and consumption of hydrogen peroxide as a solar fuel) о предложенном ими фотокаталитическом методе производства перекиси водорода.
«Самый избыточный на планете ресурс, морская вода, используется для получения топлива в виде перекиси водорода», – сказал Фукузуми.
Самое большое преимущество жидкой перекиси водорода (h3O2), используемой вместо газообразного водорода (h3), который сегодня применяется в большинстве топливных элементов, в том, что жидкость с высокой плотностью гораздо легче хранить. Как правило, газообразный водород необходимо предварительно сжимать, а в некоторых случаях охлаждать до жидкого состояния при криогенных температурах.
В отличие от такого подхода, жидкую перекись высокой плотности гораздо удобней и безопасней хранить и транспортировать.
Проблема заключается в том, что до сих пор не было разработано эффективного фотокаталитического способа получения жидкой перекиси. Существуют способы получения Н2О2 без использования солнечного света, но они требуют столько энергии, что теряется всякий смысл их практического использования.
Перекись водорода из воды
Ученые разработали новую фотоэлектрохимическую ячейку на основе солнечного фотоэлемента, которая производит перекись водорода. Когда солнечный свет падает на фотокатализатор, тот начинает поглощать фотоны и использует их энергию для инициирования химических реакций (окисление морской воды и уменьшение содержания кислорода), которые в итоге производят перекись водорода.
После воздействия света на ячейку в течение 24 часов концентрация перекиси в морской воде составила около 48 миллимолей, что значительно превышает значения, полученные в предыдущих экспериментах в чистой воде, около 2 миллимолей.
Исследуя причину такого большого различия, исследователи обнаружили, что отрицательно заряженный хлор в морской воде значительно усиливает процесс фотохимического катализа, обеспечивая получение более высокой концентрации перекиси.
В целом, система имеет КПД преобразования солнечной энергии в электричество 0,28 процентов. Фотокаталитическое производство перекиси из морской воды имеет КПД 0,55 процентов, а КПД топливного элемента около 50 процентов.
Хотя общая эффективность выгодно отличается от других преобразователей солнечного света в электроэнергию, она по-прежнему значительно ниже, чем производительность обычных солнечных элементов.
Исследователи ожидают, что производительность можно будет повысить в будущем за счёт использования в фотоэлектрохимических ячейках новых материалов. Они также планируют найти способы снижения себестоимости производства.
«В будущем мы планируем разработать способ крупномасштабного производства Н2О2 из морской воды с низкой себестоимостью, – сказал Фукузуми.
– Он сможет заменить нынешний дорогостоящий способ производства перекиси из водорода и кислорода».
Как работает гидроэнергетика | Департамент энергетики
Управление гидроэнергетических технологий
Узнать больше
Программа гидроэнергетики
Основы гидроэнергетики
Зачем использовать гидроэнергетику?
История гидроэнергетики
Турбины гидроэнергетики
Аккумулирующие гидроэлектростанции
Глоссарий гидроэнергетики
Портал STEM гидроэнергетики
Отчет о рынке гидроэнергетики 2021
КАК МЫ ПОЛУЧАЕМ ЭНЕРГИЮ ИЗ ВОДЫ?
Гидроэнергетика, или гидроэлектроэнергия, представляет собой возобновляемый источник энергии, который вырабатывает энергию за счет использования плотины или отводной конструкции для изменения естественного течения реки или другого водоема. Гидроэнергетика опирается на бесконечную, постоянно перезаряжаемую систему водного цикла для производства электроэнергии с использованием топлива — воды, которое не уменьшается и не удаляется в процессе.
Существует множество типов гидроэнергетических сооружений, хотя все они питаются от кинетической энергии текущей воды, движущейся вниз по течению. Гидроэнергетика использует турбины и генераторы для преобразования этой кинетической энергии в электричество, которое затем подается в электрическую сеть для питания домов, предприятий и промышленности.
КАК ИМЕННО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ ПРОИЗВОДИТСЯ НА ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ?
Поскольку гидроэнергетика использует воду для выработки электроэнергии, станции обычно располагаются на источнике воды или рядом с ним. Энергия, доступная от движущейся воды, зависит как от объема водного потока, так и от изменения высоты — также известного как напор — от одной точки к другой. Чем больше поток и выше напор, тем больше электроэнергии можно произвести.
На уровне завода вода течет по трубе, также известной как водовод, и затем вращает лопасти в турбине, которая, в свою очередь, вращает генератор, который в конечном итоге производит электричество.
Так работает большинство обычных гидроэлектростанций, включая системы русла реки и гидроаккумулирующие системы.
ПОСМОТРЕТЬ ВСЕ
Управление гидроэнергетических технологий публикует Отчет о достижениях в области исследований и разработок в области гидроэнергетики и морской энергетики за 2021–2022 годы
Управление гидроэнергетических технологий Министерства энергетики США (WPTO) сегодня опубликовало отчет о достижениях за 2021–2022 годы.
Узнать больше
Управление гидроэнергетических технологий публикует отчет о экспертной оценке за 2022 год
Управление гидроэнергетических технологий недавно опубликовало отчет о экспертной оценке за 2022 год, который включает отзывы и рекомендации группы независимых экспертов, которые оценивали проекты, финансируемые WPTO, в рамках программ гидроэнергетики и морской энергетики.
Узнать больше
Центр лосося на Аляске и Министерство энергетики изучают потенциал гидроэнергетики для удовлетворения потребностей региона в энергии и устойчивости
При технической поддержке Партнерского проекта Министерства энергетики США по переходу к энергетике город Диллингем, Аляска, рассматривает возможность реализации гидроэнергетического проекта, чтобы помочь его энергетическая устойчивость и экологические цели.
Узнать больше
успеха гидроэнергетики в 2022 году помогут в достижении целей в области экологически чистой энергии
Управление гидроэнергетических технологий Министерства энергетики США делится некоторыми из многочисленных успехов, достигнутых его экспертами, лабораториями и партнерами в прошлом году, когда они размышляли о 2022 году и заглядывали в будущее на 2023 год.
Узнать больше
Волновой эффект: почему научный сотрудник WPTO Сара Мур считает, что для решения таких проблем, как изменение климата, нам нужно нечто большее, чем математика и наука
В 2015 году Сара Мур отправилась в сельскую боливийскую общину, чтобы установить душевые и уборные, работающие на солнечной энергии. В настоящее время она является научным сотрудником Американской ассоциации развития науки и технологий 2021 года и работает над водными системами других сообществ.
Узнать больше
WPTO объявляет о выделении более 16 миллионов долларов на новые национальные гидроэнергетические и морские проекты под руководством лабораторий
Сегодня WPTO объявила о новых проектах на сумму более 16 миллионов долларов, направленных на дальнейшие исследования и разработки в области гидроэнергетики и морской энергетики.
Эти награды включают 5,6 млн долларов на гидроэнергетику и 10,5 млн долларов на проекты морской энергетики в шести национальных лабораториях.
Узнать больше
Основные возможности финансирования обсуждены в Отделе технологий гидроэнергетики Полугодовой вебинар 9 для заинтересованных сторон0003
9 ноября 2022 года WPTO провела свой последний полугодовой вебинар для заинтересованных сторон и поделилась подробностями с заинтересованными сторонами в области гидроэнергетики и морской энергетики из промышленности, научных кругов и правительства о последних возможностях финансирования, достижениях и проектах офиса.
Узнать больше
Победители премии продолжают продвигать инновационные гидроаккумулирующие технологии, три команды продолжили тестирование, завершили дальнейший анализ и определили потенциальные площадки для своих технологий.
Узнать больше
Веб-семинар WPTO для обсуждения тем гидроэнергетики в предстоящей программе финансирования малого бизнеса
1 декабря 2022 г.
WPTO проведет вебинар для изучения тем гидроэнергетики на первом этапе 2023 финансового года. Инновационные исследования и технологии малого бизнеса. Трансферная программа. Спикеры обсудят эти темы и ответят на вопросы.
Узнать больше
Министерство энергетики США объявляет о технической помощи для развития технологий гидроэнергетики
WPTO объявило о возможности для разработчиков гидроэнергетики и других заинтересованных сторон получить техническую помощь для преодоления препятствий оценки при разработке гидроаккумулирующих гидроэнергетических проектов и проблем, связанных с миссией HydroWIRES.
Узнать больше
Объяснение гидроэнергетики — Управление энергетической информации США (EIA)
- Основы
- +Меню
Гидроэнергия – это энергия движущейся воды
Люди издавна используют силу воды, текущей в ручьях и реках, для производства механической энергии.
Гидроэнергетика была одним из первых источников энергии, используемых для производства электроэнергии, и до 2019 года гидроэнергетика была крупнейшим источником общего годового производства электроэнергии из возобновляемых источников в США.
В 2021 году на долю гидроэлектроэнергии приходилось около 6,3% от общего объема коммунальных услуг США 1 производство электроэнергии и 31,5% от общего объема производства электроэнергии из возобновляемых источников в коммунальном масштабе. Доля гидроэлектроэнергии в общем производстве электроэнергии в США со временем уменьшилась, в основном из-за увеличения производства электроэнергии из других источников.
Гидроэнергетика зависит от круговорота воды
- Солнечная энергия нагревает воду на поверхности рек, озер и океанов, что приводит к испарению воды.
- Водяной пар конденсируется в облака и выпадает в виде осадков — дождя и снега.
- Осадки собираются в ручьях и реках, которые впадают в океаны и озера, где испаряются и снова начинают свой цикл.
Количество осадков, стекающих в реки и ручьи в географическом районе, определяет количество воды, доступной для производства гидроэлектроэнергии. Сезонные колебания количества осадков и долгосрочные изменения в характере осадков, такие как засухи, могут иметь большое влияние на доступность производства гидроэлектроэнергии.
Источник: Адаптировано из Национального проекта развития энергетического образования (общественное достояние)
Источник: Управление долины Теннесси (общественное достояние)
Гидроэлектроэнергия вырабатывается с помощью движущейся воды
Поскольку источником гидроэлектроэнергии является вода, гидроэлектростанции обычно располагаются на источнике воды или рядом с ним. Объем водного потока и изменение высоты — или падения, часто называемого напором — от одной точки к другой определяют количество доступной энергии в движущейся воде. В целом, чем больше расход воды и чем выше напор, тем больше электроэнергии может произвести гидроэлектростанция.
На гидроэлектростанциях вода течет по трубе или водоводу , затем толкает и вращает лопасти в турбине, чтобы вращать генератор для производства электроэнергии.
Обычные гидроэлектростанции включают:
- Русловые системы , в которых сила течения реки оказывает давление на турбину. Сооружения могут иметь водослив в водотоке для отвода потока воды к гидротурбинам.
- Системы хранения , где вода скапливается в резервуарах, созданных плотинами на ручьях и реках, и сбрасывается через гидротурбины по мере необходимости для выработки электроэнергии. Большинство гидроэнергетических объектов США имеют плотины и водохранилища.
Гидроаккумулирующие сооружения представляют собой тип гидроаккумулирующей системы, в которой вода перекачивается из источника воды в водохранилище на большей высоте и выпускается из верхнего водохранилища для питания гидротурбин, расположенных ниже верхнего водохранилища.
Электроэнергия для перекачки может поставляться гидротурбинами или другими типами электростанций, включая электростанции, работающие на ископаемом топливе, или атомные электростанции. Обычно они перекачивают воду в хранилище, когда спрос на электроэнергию и затраты на ее выработку и/или когда оптовые цены на электроэнергию относительно низки, и выпускают накопленную воду для выработки электроэнергии в периоды пикового спроса на электроэнергию, когда оптовые цены на электроэнергию относительно высоки. Гидроаккумулирующие гидроэлектростанции обычно используют больше электроэнергии для перекачки воды в верхние водохранилища, чем они производят с накопленной водой. Таким образом, ГАЭС имеют чистый отрицательный баланс выработки электроэнергии. Управление энергетической информации США публикует выработку электроэнергии на гидроаккумулирующих электростанциях как отрицательную выработку.
Нажмите, чтобы увеличить
История гидроэнергетики
Гидроэнергетика является одним из старейших источников энергии для производства механической и электрической энергии, и до 2019 года она была крупнейшим источником общего годового производства возобновляемой электроэнергии в США.
Тысячи лет назад люди использовали гидроэнергию, чтобы вращать гребные колеса на реках для измельчения зерна. До того, как в Соединенных Штатах появились паровая энергия и электричество, зерновые и лесопилки работали напрямую от гидроэнергии. Первое промышленное использование гидроэнергетики для выработки электроэнергии в Соединенных Штатах было в 1880 году для питания 16 дуговых ламп на фабрике стульев Росомахи в Гранд-Рапидс, штат Мичиган. Первая в США гидроэлектростанция по продаже электроэнергии открылась на реке Фокс недалеко от Эпплтона, штат Висконсин, 30 сентября 1882 г.
В США работает около 1450 обычных и 40 гидроаккумулирующих гидроэлектростанций. Старейшим действующим гидроэнергетическим объектом США является электростанция Уайтинга в Уайтинге, штат Висконсин, которая начала работу в 1891 году и имеет общую генерирующую мощность около 4 мегаватт (МВт). Большая часть гидроэлектроэнергии в США производится на крупных плотинах на крупных реках, и большинство этих гидроэлектростанций были построены до середины 1970-х годов федеральными государственными учреждениями.