Onderzoekers van de Universiteit Twente en de South China Normal University ontwierpen een elektrische generator die energie kan opwekken met druppels en andere mechanische energiebronnen. Hun werk is onlangs verschenen in Advanced Materials.
De opwarming van de aarde is een toenemende bedreiging, waardoor het gebruik van duurzame energiebronnen nodig is. Stromend water in de vorm van (regen)druppels is een veel voorkomende bron van mechanische energie die kan worden omgezet in elektrische energie. Eerdere pogingen om deze energie om te zetten met behulp van verschillende technieken waren ofwel beperkt in efficiëntie of in stabiliteit, of vereisten een externe spanning.
OPWEKKEN VAN STROOM
De elektrische generator kan worden uitgelegd als een permanent geladen condensator, ook wel bekend als een electret. De onderzoekers injecteerden ladingen in een isolerende laag van deze condensator door een nieuwe laadmethode toe te passen die gebaseerd is op electrowetting – een techniek om het contactoppervlak van druppels met een elektrisch veld aan te passen. Een elektrische stroom wordt opgewekt bij de impact van een druppel wanneer de geïnduceerde tegenladingen op de condensator worden herverdeeld.
VERHOGING VAN DE STROOM
De omvang van deze stroom wordt bepaald door het aantal geïnjecteerde ladingen. Door gebruik te maken van composietmateriaal met een hoge sterkte konden de onderzoekers het aantal geïnjecteerde ladingen erg verhogen. Door het slimme ontwerp van de elektroden kon de herverdeling van de lading in hun generator op de meest efficiënte manier plaatsvinden. De onderzoekers slaagden erin om 11,8% van de mechanische energie van een vallende druppel om te zetten in elektrische energie, wat een aanzienlijke verbetering is ten opzichte van de efficiëntie van vergelijkbare apparaten. Bovendien toonden ze aan dat de efficiëntie van de proces niet afneemt na 100 dagen. Daardoor kan het apparat na slechts 15 minuten opladen op lange termijn worden gebruikt.
TOEPASSINGEN
Hun aanpak is niet beperkt tot het oogsten van energie op basis van druppels. Niels Mendel, een van de auteurs zegt: "Onze methode kan ook worden overwogen voor andere toepassingen waarbij mechanische energie moet worden omgezet in elektrische energie, bijvoorbeeld in draagbare apparaten, uit golven of voor sensoren. Wel is er meer onderzoek nodig om een echte generator te ontwerpen die efficiënt genoeg energie uit regen kan halen.
MEER INFORMATIE
Het artikel is getiteld "Charge Trapping-Based Electricity Generator (CTEG): An Ultrarobust and High Efficiency Nanogenerator for Energy Harvesting from Water Droplets" en is gepubliceerd in Advanced Materials op 6 juli. De uitgave kan hier online worden gelezen. Een tweede paper van hetzelfde team dat zich richt op de fysische principes van het energie-opwekken is getiteld "Energy harvesting from drops impacting onto charge surfaces" en staat op het punt om te verschijnen in Physical Review Letters.
Het onderzoek is uitgevoerd door Dr. Hao Wu (South China Normal University, Universiteit Twente), Niels Mendel, Stijn van der Ham, Prof. Frieder Mugele (allemaal Physics of Complex Fluids Group (PCF); Universiteit Twente), Prof. Lingling Shui (South China Normal University) en Prof. Guofu Zhou (South China Normal University, Academy of Shenzhen Guohua Optoelectronics).
Het onderzoeksproject wordt ondersteund door het National Key R&D Program of China, National Natural Science Foundation of China, Program for Chang Jiang Scholars and Innovative Research Teams in Universities, Program for Guangdong Innovative and Entrepreneurial Teams, Science and Technology Project of Guangdong Province, Guangdong Provincial Key Laboratory of Optical Information Materials and Technology, Science and Technology Program of Guangzhou, MOE International Laboratory for Optical Information Technologies, en het 111 Project.
