Электричество можно добыть из снега / Хабр
Каждый, кто хоть раз помогал «прикурить» севший от сильного холода автомобильный аккумулятор, знает, что мороз и электричество не сочетаются. Однако исследовательская компания Nanotech Energy придумала способ добычи электричества из снега. Доклад об этом появился в журнале Nano Energy в июне 2019 года, но с приближением зимы тема становится как нельзя более актуальной.
Ещё в 1960-х годах учёные заметили, что у снега есть интересное свойство: он несёт положительный заряд. Соответственно, при взаимодействии с материалом, несущим отрицательный заряд, из снега можно извлечь энергию. Эту особенность и взяли на вооружение исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA), создав небольшой силиконовый датчик-генератор, способный получать электричество прямо из снега.
«Снег уже имеет заряд, и мы подумали, почему бы не взять другой материал с противоположным зарядом и не попробовать создать электричество?»
Устройство получило название Snow TENG (снежный трибоэлектрический наногенератор). Как видно из названия, работает оно за счёт трибоэлектрического эффекта (появления электрических зарядов в материале в результате трения). Подобные устройства используются для создания генераторов малой мощности, получающих энергию от движения тела, прикосновений к поверхности или шагов человека по полу.
Команда UCLA крепила устройство на подошвы ботинок и шины велосипедов
Почему устройство силиконовое? Исследователи протестировали разные материалы, включая тефлоновую и алюминиевую фольгу. Но силикон оказался эффективнее. Этот дешёвый материал лучше всего справился с «захватом» электронов.
Snow TENG легко изготовить с помощью 3D-принтера. На пластиковый электрод, способный «захватывать» статическое электричество, наносится слой силикона. Готовое устройство получается прочным, гибким, водостойким и лёгким. При этом оно не требует никаких дополнительных элементов питания.
Это интересная возможность, ведь тогда его можно нанести на солнечные батареи, чтобы они могли работать в удалённых заснеженных районах и генерировали энергию даже в метель. Snow TENG можно использовать для создания энергонезависимых метеостанций. Или вообще покрыть им стены зданий. Это, с одной стороны, повысит уровень гидроизоляции, а с другой — во время снегопада здание станет огромным электрогенератором.
Энергии хватит, чтобы подзарядить арктическую метеостанцию или «умные» часы
Где подвох?
Ложка дёгтя, конечно, есть. Проблема в малой удельной мощности устройства, которая составляет 0,2 мВт на квадратный метр. То есть напрямую к электросети подключать Snow TENG бессмысленно. А вот для питания небольших устройств технология вполне подходит. Так что вполне вероятно, что вскоре появится носимая электроника для зимних видов спорта, способная подзаряжаться от движения лыж или ботинок по снегу.
Уже реальность. Огороды в черте города будут вырабатывать электричество
Читайте также
Что нужно в городе для счастья: безопасность, личное пространство и природа Малоизвестные и стильные места в Москве Не только еда: исторические анекдоты, блюда с «Титаника» и пикники в лесуiaac.net
Как мы поступаем, если во время прогулки у нас внезапно разрядился телефон? Начинаем искать ближайшее кафе, в котором может оказаться свободная розетка. Но, возможно, совсем скоро все изменится, и, обнаружив опустевший индикатор заряда, мы бросимся к ближайшей яблоне или клумбе с базиликом. Звучит это пока странно, но, например, на улицах Барселоны скоро появятся съедобные растения, способные генерировать электроэнергию.
В 2020 г. испанский фонд BIT Habit Barcelona Foundation запустил конкурс городских инноваций Ciutat Proactiva: молодым инженерам предложили придумать способы, которыми Барселону можно сделать высокотехнологичным и экологичным городом.
Проектов было представлено немало, но авторитетная комиссия выбрала семь победителей, которые затем получилили гранты. Одним из них стал проект «Co-mida: городская зелень для производства энергии и продуктов питания». Его авторы – сотрудники Института передовой архитектуры Каталонии (IAAC). Как ясно из названия проекта, на городских улицах будут высаживать растения, которые станут электрогенераторами. Как же это работает?
Многие из нас знают, что электричество можно добывать из картофеля или, например, лимонов. Забавный школьный опыт выглядит так: в картофелину втыкают пару гвоздей (медный и оцинкованный), к ним присоединяют провода, и такая система способна немного отклонить стрелку вольтметра. Ток получается крохотный, но его можно увеличить, соединив последовательно несколько картофелин. Правда, мощность все равно будет небольшой: чтобы зарядить, допустим, смартфон, потребуется целый мешок картошки. Разумеется, такой способ не подходит для практической реализации.
Но есть и другой метод, он основан на явлении биофотогальваники.
В последние годы получили распространение так называемые «зеленые гальванические элементы» или топливные ячейки «бактерия + растение». В отличие от картофельных батареек, это самообновляемый тип растительных источников энергии: все, что ему нужно для работы, – это почва, солнечный свет, углекислый газ и вода.
Растения, поглощая солнечный свет и углекислый газ, в процессе фотосинтеза производят органические вещества, часть из которых попадает в почву. Особые бактерии, живущие вокруг корней, расщепляют эту органику, попутно выделяя электроны. Эти заряженные частицы могут быть захвачены анодом, а как мы помним из школьного курса, электрический ток – это и есть движение электронов. Осталось лишь направить это движение к потребителю.
Стартап CO-mida планирует выстроить на улицах Барселоны вертикальные сады, «зеленые электростены». С помощью специального 3D-принтера печатают керамические цветочные горшки-ячейки особой формы: их можно крепить на вертикальные поверхности, заполняя любую площадь, вплоть до нескольких сотен квадратных метров.
Такая стена представляет собой единую систему, управляемую общим контроллером. Каждая ячейка способна постоянно генерировать небольшое напряжение – примерно 0,2 вольта. Разумеется, чем больше ячеек, тем лучше. Собранная энергия направляется в городскую сеть, а кроме того, любой желающий может подключиться к ней и зарядить гаджет.
CO-mida решает сразу три задачи: озеленяет город, вырабатывает электричество и производит пищевые продукты, поскольку в ячейки высаживают съедобные растения. Разумеется, яблоню на стену не посадишь, но, например, огурцы – запросто.
Прямо сейчас разработчики заняты постройкой пилотных вертикальных садов в двух районах Барселоны. Так что вполне вероятно, что через некоторое время любой прохожий сможет ненадолго присесть в тени зеленой стены и подпитать севший смартфон, похрустывая свежим огурчиком.
Как мы можем использовать энергию океана для производства электроэнергии? · Frontiers for Young Minds
Abstract
Океаны составляют почти 70% поверхности нашей планеты, и они находятся в постоянном движении под воздействием волн, приливов и течений.
Эти движения формируются по-разному: волны развиваются из-за действия ветра; приливы из-за Луны и Солнца, а течения из-за различий в температуре воды и вращения планеты. Движения океана приносят пищу и кислород растениям и животным, обитающим в океанах и на побережьях. Волны и приливы также помогают формировать береговую линию за счет эрозии и накопления песка. Движение океана также важно для человека: нам весело плавать в волнах, приливы помогают рыбачить, а течения полезны для перемещения кораблей по океану. Это бесконечное движение океана также можно использовать для производства чистой возобновляемой электроэнергии.
Океан как батарея?
Более 70% поверхности нашей планеты покрыто водой. Из них большая часть воды находится в океанах, и только 2% приходится на пресную воду в озерах, реках и льдах. В мире почти 200 стран, и чуть более 150 имеют выход к морю. Многие виды обитают в океанах, в экосистемах, включая коралловые рифы и заросли водорослей у берегов, а также в открытой воде.
Мировое научное сообщество усердно работает над определением количества видов в океанах, но задача непростая. В настоящее время Информационная система по биоразнообразию океана 1 сообщает о немногим более 147 000 видов. Однако, поскольку, по оценкам, более 80% океанов остаются ненаблюдаемыми, ожидается, что число видов, обитающих в океане, будет в раз больше, чем известно на данный момент, может быть, миллионы видов.
Помимо того, что море является домом для многих тысяч существ, оно похоже на батарею, которая постоянно получает, поглощает и выделяет энергию. Солнце является основным источником энергии для океанов, как напрямую, через световую и тепловую энергию, так и косвенно, нагревая воздух для создания ветров. Океаны также получают энергию от притяжения, оказываемого на Землю Луной, планетами и Солнцем. Эти силы означают, что вода океана находится в постоянном движении: волны поднимаются и опускаются, приливы и отливы приходят и уходят, а течения текут по земному шару.
Эти движения очень важны для планеты Земля: они обеспечивают пищу и кислород для растений и животных в морях, а также помогают формировать береговую линию за счет эрозии и аккреции, то есть накопления песка. Что, если бы все это бесконечное движение океана можно было бы использовать для создания возобновляемый источник электроэнергии тоже? Это больше, чем просто мечта ученого — продолжайте читать, чтобы узнать больше!
Формирование волн, океанских течений и приливов
Волны образуются ветром, дующим по поверхности моря. Время между каждой волной варьируется от 4 до 30 с. Волны возникают как далеко в море, так и вблизи берегов. Когда дует сильный ветер, как бывает во время шторма, волны становятся выше. Цунами — это другой тип волны. Они образуются в результате землетрясений, извержений вулканов и падения метеоритов в море. Например, когда земля сотрясается во время землетрясения, вода движется, а затем в открытом море образуются гигантские волны цунами, которые движутся к берегам.
В этой статье мы сосредоточимся на типах волн, которые обычно возникают, а не на цунами.
Океанические течения в основном формируются за счет вращения Земли, колебаний морского дна и различий в температуре и солености (солености) вод в море. Некоторые океанские течения очень сильны, а основные течения даже имеют особые названия. Некоторые течения несут теплую или даже горячую воду; другие несут холодную воду. Эти течения влияют на погоду. Например, Гольфстрим начинается в теплых водах Мексиканского залива и движется в северную Европу, давая местам, где оно проходит, более высокие температуры. У побережья мы можем найти мощные, более короткие течения из-за формы морского дна. Эти течения насыщают воду кислородом и уносят питательные вещества от побережья.
Приливы возникают в основном из-за магнитного притяжения Луны и Солнца к земным океанам. Когда луна и солнце движутся, вода в океанах притягивается к берегам или от них, вызывая повышение и понижение уровня моря. В зависимости от береговой линии приливы и отливы могут происходить один или два раза в лунные сутки, 24 часа 50 минут, за это время Луна совершает оборот вокруг Земли.
Приливные изменения уровня моря в одних местах очень малы, а в других весьма заметны. Например, некоторые острова, такие как Мон-Сен-Мишель на севере Франции, соединяются с материком во время отлива дорогой, пересекающей пески. Но во время прилива дорогу заносит глубокой водой и люди на острове отрезаны примерно на 9час
Производство электроэнергии из волн, течений и приливов
Бесконечное движение волн, течений и приливов можно использовать для производства чистой возобновляемой электроэнергии для наших домов, школ и промышленности [1]. Для сбора энергии океана используются специальные устройства. Чтобы улавливать энергию, некоторые части этих устройств движутся по мере движения воды, и это движение вырабатывает электричество, которое затем транспортируется к побережью. Буи и турбины — два примера устройств, которые можно использовать для захвата энергии движения океана.
Буи — это конструкции, плавающие в море и перемещающиеся вверх и вниз вместе с волнами.
Эти буи прикреплены к различным механизмам, таким как цилиндр , который приводит в движение поршень , приводящий в действие генератор, который может преобразовывать движение в электричество. Буи могут быть прикреплены к длинным колоннам, называемым лонжеронами , которые закреплены на морском дне (рис. 1), или все устройство может свободно плавать в океане ( видео 1 ). Эти устройства могут быть размещены в глубоких водах открытого моря или ближе к берегу.
- Рисунок 1 – Пример того, как электричество можно генерировать с помощью волнового движения.
- Плавучий буй прикреплен к рангоуту, который представляет собой длинную колонну, прикрепленную к морскому дну, содержащую электрогенерирующее оборудование. Электричество вырабатывается, когда волны перемещают буй вверх и вниз по лонжерону, который перемещает поршень, приводящий в действие генератор. Затем электричество отправляется на берег по подводному кабелю.
youtube.com/embed/QQ_E2SIIam8?rel=0″ frameborder=»0″ allow=»encrypted-media» webkitallowfullscreen=»» mozallowfullscreen=»» allowfullscreen=»»> - Видео 1 — Производство электричества из океанских волн.
Турбины также можно использовать для использования энергии океанских течений (рис. 2, , видео 2
). У турбин есть лопасти, вроде пропеллеров, которые могут вращаться силой океанских течений. Вращающаяся турбина прикреплена к устройству, вырабатывающему электричество, и, поскольку турбина вращается как пропеллер, ряд шестерен увеличивает вращение ротора, позволяя турбогенератору производить электричество. Океанские течения почти неизменны по направлению, скорости и течению, и они несут большое количество энергии. Турбины также можно использовать для сбора энергии течений, создаваемых приливами. Иногда тип плотины называют 9Плотина 0015 предназначена для хранения воды во время прилива; во время отлива ворота заграждения открываются, и накопленная вода вытекает достаточно быстро, чтобы привести в действие ряд турбин.
- Рисунок 2. Энергия может быть получена из океанских течений и приливов с помощью турбин.
- Лопасти турбины вращаются токами, а энергия улавливается генератором электричества, прикрепленным к лопастям.
- Видео 2 — Производство электроэнергии из океанских течений и приливов.
После того, как эти устройства произвели электроэнергию, ее можно транспортировать на берег по подводному кабелю или хранить в специальных батареях.
Энергия океана: вызовы и возможности
Хотя эти устройства могут показаться довольно простыми, изобретение машин, которые будут работать в любых погодных условиях, иногда в глубокой воде, является настоящим вызовом для ученых. Затраты на проектирование, установку и обслуживание этих технологий могут быть чрезвычайно высокими.
Окружающая среда океана часто бывает суровой и опасной, а условия могут быть непредсказуемыми, а это означает, что необходимы прочные конструкции, чтобы противостоять агрессивному характеру океана. Поддержка и финансирование по-прежнему необходимы для дальнейших исследований, тестирования прототипов и разработки полномасштабных устройств, которые могут обеспечить стабильную поставку чистой возобновляемой электроэнергии.
Кроме того, необходимо принимать меры предосторожности, чтобы избежать нежелательного воздействия на окружающую среду. Например, эти устройства могут изменять океанские течения, в результате чего пища и личинки перестают следовать своим естественным схемам. Кроме того, если турбины производят шум, это может дезориентировать морских животных, заставляя их сталкиваться с устройствами или близлежащей землей. Ранние исследования показали, что рыбы и морские млекопитающие могут избегать ударов по устройствам; но иногда они этого не делают. Важно, чтобы ученые продолжали исследовать, как местные растения и животные реагируют на эти устройства.
По мере сбора новой информации мы будем знать, как строить и устанавливать эти устройства, чтобы производство энергии не оказывало негативного влияния на растения и животных океана.
Несмотря на эти проблемы, существует большой потенциал для производства электроэнергии с использованием технологий, которые учитывают движение океанов. Теоретически энергия движения океана могла бы во много раз удовлетворить потребности мира в энергии! Энергия, полученная от движения океанов, является возобновляемой, а это означает, что она не иссякнет, как в конечном итоге ископаемое топливо. Еще одно большое преимущество заключается в том, что производство электроэнергии из энергии океана не приводит к образованию CO 2 и, следовательно, не способствует глобальному потеплению и изменению климата. Продолжающиеся исследования этих технологий производства электроэнергии стоят затраченных усилий, потому что изменение климата становится все более серьезной проблемой. Крайне важно, чтобы мы сократили выбросы CO 2 в атмосферу, чтобы защитить будущее Земли и всех ее существ! Итак, в следующий раз, когда вы будете у океана, помимо веселья и наслаждения фантастической красотой морской природы, помните, что когда-нибудь океан может даже помочь нам получить электричество, которое мы используем в нашей повседневной жизни! Есть бесконечные возможности!
Глоссарий
Возобновляемая энергия : ↑ Возобновляемая энергия — это естественный источник энергии, такой как приливы, волны и океанские течения, которые всегда доступны.
Буй : ↑ Буй — это плавучая конструкция, которая движется вверх и вниз вместе с волнами.
Поршень : ↑ Поршень представляет собой плотно прилегающий цилиндр или диск, который перемещается внутри другого цилиндра либо для сжатия, либо для перемещения в нем жидкости, такой как воздух или вода, либо для преобразования энергии.
Лонжерон : ↑ Лонжерон представляет собой толстую прочную стойку для поддержки буя.
Турбина : ↑ Турбина — это двигатель, обеспечивающий мощность, поскольку ротор постоянно вращается из-за давления быстро движущейся воды или ветра.
Плотина : ↑ Плотина — это плотина, установленная в ручье или реке для увеличения глубины воды.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
Благодарности
Мы признательны Джилл Тейлор за помощь в редактировании текста на предмет стиля и грамматики. Мы также благодарим Валерию Чавес за разработку концепции видеороликов, Эдгара Муньоса за его работу над графикой фигур и видеороликов, а также Мириам Сильву за то, что она предоставила свой голос для создания видеороликов.
Сноска
1. ↑ https://obis.org/.
Каталожные номера
[1] ↑ Уйхляйн, А., и Маганья, Д. 2016. Энергия волн и приливных течений – обзор текущего состояния исследований, выходящих за рамки технологий. Продлить. Поддерживать. Energy Rev. 58:1070–81. doi: 10.1016/j.rser.2015.12.284
Программа CARE/FERA
Калифорнийские альтернативные тарифы на электроэнергию (CARE)
Клиенты с низким доходом, зарегистрированные в программе CARE, получают 30–35 процентную скидку на счет за электроэнергию и 20-процентную скидку на счет за природный газ.
Чтобы запросить форму заявки и дополнительную информацию, обратитесь в свою коммунальную компанию или посетите их веб-сайты для получения дополнительной информации. Коммунальные услуги, регулируемые Комиссией:
| Номера телефонов и веб-сайты программ энергетической помощи | ||
| Коммунальные услуги | Экстренный платеж | Веб-сайт |
| PG&E | 866-743-2273 | УХОД |
| Эдисон | 866-675-6623 | УХОД |
| SDG&E | 800-411-7343 | УХОД |
| SoCalGas | 800-427-2200 | УХОД |
| Alpine Nat’l Gas | 209-772-3006 | ПРОГРАММЫ |
| Медвежья долина Избранный | 800-808-2837 | УХОД |
| ПасифиКорп | 888-221-7070 | Финансовая помощь |
| Либерти Утилитис | 800-782-2506 | УХОД |
| Юго-запад Газ | 877-860-6020 | Специальные программы |
| Западное побережье Газ | 916-364-4100 | УХОД |
Правомочными клиентами являются те, чей общий доход домохозяйства находится на уровне или ниже пределов дохода, указанных ниже.
Ограничение дохода действует до 31 мая 2023 г.
Руководство по доходу CARE* | |
Семейный размер | Верхний предел приемлемости дохода |
1-2 | $36 620 |
3 | $46 060 |
4 | 55 500 долларов США |
5 | 64 940 долларов США |
6 | $74 380 |
7 | $83 820 |
8 | $93,260 |
Каждое дополнительное лицо | 9 440 долл. |
* Действует с 1 июня 2022 г. по 31 мая 2023 г. | |
СШАКлиенты также могут иметь право на участие в программе CARE, если они участвуют в программах социальной помощи, таких как Medicaid/Medi-Cal, Программа для женщин, младенцев и детей (WIC), Healthy Families A & B, Программа бесплатных обедов National School Lunch ( NSL), продовольственные талоны / SNAP, Программа помощи в оплате энергии для дома с низким доходом (LIHEAP), Право на получение дохода Head Start (только для представителей племен), Дополнительный социальный доход (SSI), Общая помощь Бюро по делам индейцев и Временная помощь нуждающимся семьям (TANF) или Племенной TANF.
1 В рамках программы CARE электрические корпорации со 100 000 или более учетными записями клиентов в Калифорнии предлагают скидку 30–35% в соответствии с требованиями Раздела 739.1 Кодекса коммунальных служб.
Электрические корпорации с менее чем 100 000 учетных записей клиентов в Калифорнии предлагают скидку 20%.
Бланки заявлений также можно получить в многочисленных общественных организациях. CARE финансируется за счет надбавки к ставке, уплачиваемой всеми другими потребителями коммунальных услуг. Эти пределы дохода могут корректироваться каждый год в зависимости от инфляции.
В Калифорнии есть Совет по надзору за малообеспеченными (LIOB), который был создан Законодательным собранием для консультирования PUC по энергетическим программам помощи малоимущим коммунальным предприятиям, находящимся под юрисдикцией PUC.
Семейная программа помощи в тарифах на электроэнергию (FERA)
Семьи, чей семейный доход немного превышает пособия CARE, имеют право на получение скидок FERA, в счетах которых применяется скидка 18% к счету за электроэнергию. FERA доступна для клиентов компаний Southern California Edison, San Diego Gas and Electric Company и Pacific Gas and Electric Company.
Позвоните в электроэнергетическую службу, если ваша семья соответствует требованиям. Ниже приведены пределы дохода, действующие до 31 мая 2023 г.:
