Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 32 (vyšlo 16. srpna, ročník 17 (2019)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Modrý sen aneb cesta do oceánů pro elektrickou energii

Pavel Galář

Triboelektrické nanogenerátory II

Mezi nejdůležitější budoucí aplikace TENG patří konverze mechanické energie vody v mořích a především v oceánech na elektrickou energii – tzv. modrou energii. Oceány pokrývají více než 70 % povrchu Země a mechanická energie s nimi spojená mnohonásobně převyšuje současnou potřebu lidstva. Její efektivní přeměna na elektrickou energii by tedy mohla významně pomoci v řešení energetické otázky, což je někdy označováno jako tzv. modrý sen (z anglického blue dream). Modrá energie se dá rozdělit do několika kategorií: energie spojená s přílivem, vodními vlnami, vodními proudy, tepelným gradientem a gradientem slanosti vody. Přestože je téměř polovina veškeré modré energie uložena ve vlnách, současné EMG struktury využívají (až na výjimky) prakticky jen energii vodních proudů (Obr. 1), což je dáno především nízkou frekvencí vln, která je nižší než pět hertzů. Tento fakt však není pro zařízení TENG překážkou a jelikož se nanogenerátory dají konstruovat natolik lehké, že plavou na hladině, zdají se být ideálními zařízeními právě pro využití energie vodních vln. Nanogenerátory určené pro získávání modré energie jsou v naprosté většině případů v jednoelektrodovém nastavení, případě v režimu s volnou dielektrickou vrstvou (viz AB 31/2019). Na základě konstrukce se dají tato zařízení TENG rozdělit do dvou základních skupin – otevřených a uzavřených nanogenerátorů.

Příklady vodních elektráren fungujících na bázi EMG

Obr. 1: Příklady vodních elektráren fungujících na bázi EMG. Obrázek obsahuje
i návrhy EMG generátorů pro konverzi energie vln [2].

Otevřené nanogenerátory (kapalino-pevné)

Tento typ generátoru TENG využívá jako jeden z triboelektrických materiálů vodu. U těchto zařízení dochází k periodickému kontaktu vody nejčastěji s polymerem, což vytváří potenciálový rozdíl mezi elektrodami v nanogenerátoru, a tím ke vzniku elektrické energie (Obr. 2). Voda získává svůj triboeletrický náboj díky tření se vzduchem, případně přívodní trubkou, která ji přivádí do pracovního prostoru zařízení TENG. Zajímavý je například návrh konstrukce tzv. kapkového TENG, kde dochází ke vzniku elektrické energie klouzáním kapky po povrchu polymeru (Obr. 2b). Přestože mají otevřené nanogenerátory dobrou účinnost a často jednoduchou konstrukci, trpí bohužel rychlou degradací způsobenou působením slané vody na pracovní plochy nanogenerátoru. Z praktického hlediska se tedy jako zajímavější jeví plně uzavřené nanogerátory.

Příklady otevřených triboelektrických nanogenerátorů

Obr. 2: Příklady otevřených triboelektrických nanogenerátorů určených
ke generování modré energie [2].

Uzavřené nanogenátory (plně pevné)

Tyto generátory jsou primárně koncipovány jako hladinové a jsou plně uzavřené. Přestože bylo navrženo mnoho různých konstrukčních řešení těchto nanogenerátorů, ty nejúspěšnější jsou složeny z pohyblivé části (nejčastěji kuličky), která je uzavřena uvnitř nanogenerátoru. Kulička pohupováním na vlnách získává mechanickou energii, kterou převádí nárazy do pláště nanogenerátoru. V některých případech může kulička sloužit i jako volný triboelektrický materiál. Některé realizace uzavřených nanogenerátorů jsou uvedeny na obrázku 3. Obrázek 3a zachycuje schéma kuličkového TENG, kde nylonová kulička klouže po kaptonovém povrchu, což vytváří elektrický proud mezi hliníkovými elektrodami v plášti nanogenerátoru. Další úspěšnou konstrukcí je tzv. nanogenerátor kachního tvaru (z anglického duck-shape), uvnitř kterého se při pohybu na vlnách přelévají nylonové kuličky po kaptonovém substrátu s elektrodou (Obr. 3b). Nejvíce sofistikovaná konstrukce generátoru TENG je na obrázku 3c, kde kulička při pohybu naráží na stěny dvanáctistěnu, které jsou složeny ze zařízení TENG využívajícími dvou destiček, mezi kterými jsou uzavřeny elektrody vlnitého tvaru (z anglického wavy-electrode structure). Díky této konstrukci může dané zařízení přijímat modrou energii z jakéhokoliv směru.

Příklady uzavřených triboelektrických nanogenerátorů

Obr. 3: Příklady uzavřených triboelektrických nanogenerátorů (TENG) určených ke generování modré energie. a) kuličkový nanonerátor, b) nanogenerátor kachního tvaru a c) nanogenerátor využívající vlnité elektrody [2].

Uváděná zařízení vykazují při ideálních podmínkách elektrický výkon v jednotkách wattů na metr čtvereční, což v přepočtu znamená, že jeden TENG je schopen napájet až několik desítek světel LEDLED – Light Emitting Diode, světlo emitující dioda. LED je polovodičová optoelektronická součástka, která emituje nekoherentní monochromatické světlo při průchodu proudu v propustném směru. Emise světla vzniká na základě elektroluminiscence. (viz Obr. 3c). Pro větší využití těchto zařízení je nutno vyvinout technologii k efektivnímu vytváření sítí uvedených nanogenerátorů (obr. 4a). Dle nejnovějších odhadů by síť uzavřených generátorů TENG o rozloze 1 km2 mohla generovat až 1 MW elektrické energie (pro srovnání: tepelná elektrárna Praha Malešice: 112 MW; 1 blok jaderné elektrárny Temelín: 1055 MW [12]). Obrovskou výhodou zařízení TENG je, že nemusí být pouze na hladině, ale jejich konstrukce se dá upravit i tak, aby fungovaly i pod hladinou, čímž se výtěžnost oceánské plochy výrazně znásobí. Pro nasycení celkové současné světové poptávky po elektrické energii by bylo nutno vytvořit síť generátorů TENG, které by byly navzájem vzdáleny 10 cm a sahaly by do hloubky 10 m na ploše řádově 150 000 km2. Tato plocha odpovídá 0,04 % povrchu oceánů na Zemi. Systém TENG se dá navíc hybridně kombinovat se solárními panely a větrnými elektrárnami, což by výsledný výkon ještě zvyšovalo (Obr. 4b). Před realizací tohoto modrého snu je však nutno překonat mnoho překážek. Je nutné vytvořit vhodné propojení nanogenerátorů, optimalizovat stabilitu TENG, vyřešit otázku skladování a transportu vzniklé elektrické energie, zabezpečit ochranu dané sítě před zásadní nepřízní počasí a také studovat vliv takového systému na životní prostředí.

Sítě uzavřených triboelektrických nanogenerátorů pro modrou energii

Obr. 4: a) Simulace sítě kuličkových nanogenerátorů pro výrobu modré energie ve velkém. b) Grafické znázornění možné struktury hybridní sítě pro výrobu elektrické energie na vodní hladině zahrnující větrné elektrárny, solární panely a hladinové a podhladinové nanogenerátory [11].

Odkazy

  1. J. Wang, L. Zhou, Z. L. Wang: Small-Scale Energy Harvesting from Environment by Triboelectric Nanogenerators; IntechOpen, 30 Jan 2019
  2. Z. L. Wang., T. Jiang, et al.: Toward the blue energy dream by triboelctric nanogenerator networks; Nano Energy 39 (2017) 9–23
  3. Y. J. Kim, J. Lee, et al.: Effect of the Relative Permittivity of Oxides on the Performance of Triboelectric Nanogenerators; RSC Adv. 78 (2017)
  4. S. Pan, Z. Zhang: Fundamental Theories and Basic Principles of Triboelectric Effect: A Review; Friction (2019), 7(1), 2–17
  5. Jun Chen: Working Mechanism of Triboelectric Nanogenerator – Vertical Contact and Separation Model; YouTube, 24 Nov 2018
  6. Z. L. Wang: Triboelectric nanogenerators as new energy technology and self-powered sensors – Principles, problems and perspectives; Faraday Discussions 176 (2014)
  7. Jun Chen: Working Mechanism of Triboelectric Nanogenerator – In Plane Sliding Working Model; YouTube, 24 Nov 2018
  8. Z. L. Wang, J. H. Song: Piezoelectric Nanogenerators Based on Zinc Oxide Nanowire Arrays; Science 312 (2006) 242-246
  9. F. R. Fan, Z. Q. Tian, et al.: Flexible Triboelectric Generators; Nano Energy 1/2 (2012) 328–334
  10. J. W. Lee, H. J. Cho., et al.: Robust nanogenerators based on graft copolymers via control of dielectrics for remarkable output power enhancement; Sci. Adv. 3/5 (2017)
  11. R. Li, Y. Zhao et al.: Harvest of Ocean Energy by Thiboelectric Generator Technology; Appl. Phys. Rev. 5/3 (2018)
  12. Wikipedia: Jaderná elektrárna Temelín
  13. S. Niu, X. Wang, et al.: A Universal sefl-Charging systems driven by random biomechanical energy for sustainable operation of mobile electronics; Nature Comm. 6 (2015)
  14. J. Xiong, P. Cui et al.: Skin-touch-actuated textile-based triboloelectric nanogenerator with black phosphorus for durable biomechanical energy harvesting; Nature Comm. 9 (2018)
  15. K. Parida, V. Kumar, et al.: Highly transparent, stretchable, and self-healing ionic-skin triboelectric nanogenerators for energy harvesting and touch applications; Adv. Mater. 29/8 (2017)
  16. W. Seung, M. K. Gupta et al.: Nanopatterned Textile-Based Wearable Triboelectornic Nanogenerator; ACS Nano 9/4 (2015)
  17. J. Yang, J. Chen. et al.: Broadband vibrational energy harvesting based on a triboelectric nanogenerator; Adv. Energy Mater. 4/9 (2014)
  18. J. Bae, J. Lee, et al.: Flutter-driven triboelectrification for harvesting wind energy; Nature Comm. 5/9 (2014)

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage