1216
Дощ завжди був ворогом сонячних панелей — хмари перекривають світло, а виробництво електроенергії падає майже до нуля. Але команда дослідників із Севільї вирішила перетворити цього ворога на союзника. У новому дослідженні, про яке повідомляє EurekAlert, іспанські вчені розробили гібридний пристрій, який одночасно виробляє електрику від сонячного світла і від падіння краплин дощу — причому одна крапля здатна генерувати до 110 вольт.
Що відомо коротко
- Розробку створено в Інституті матеріалознавства Севільї (ICMS) — спільному центрі Іспанської ради з наукових досліджень (CSIC) та Університету Севільї
- Ключовий елемент — захисна плівка товщиною лише 100 нанометрів, нанесена на перовськітний сонячний елемент
- Плівка одночасно виконує три функції: захищає від вологи, підвищує прозорість для світла понад 90% та генерує електрику з крапель дощу
- Одна крапля дощу здатна генерувати різницю потенціалів до 110 В — достатньо для живлення невеликого портативного пристрою
- Результати опубліковані у науковому журналі Nano Energy
Що це за явище
В основі відкриття лежить трибоелектричний ефект — явище, добре відоме ще зі шкільних уроків фізики. Коли два різні матеріали торкаються один одного і розділяються, між ними виникає електричний заряд. Саме так працює звична іскра від шерстяного светра в суху погоду.
Вчені застосували цей принцип у мікроскопічних масштабах. Коли крапля дощу падає на спеціальне покриття і стікає з нього, тертя між водою і плівкою створює електричний потенціал. Цей процес і є основою трибоелектричного наногенератора (TENG) — пристрою, що перетворює механічну енергію руху на електричний струм.
Деталі відкриття
Команда з ICMS використала технологію плазмового осадження (PECVD) для нанесення захисного шару фторованого полімеру безпосередньо на перовськітний сонячний елемент. Процес відбувається за кімнатної температури без використання розчинників — це критично важливо, адже перовськіт дуже чутливий до хімічних впливів.
Отримана плівка товщиною 100 нм виконує одразу три функції. По-перше, вона є гідрофобним щитом — кут змочування водою становить 110°, що вдвічі підвищує стійкість панелі до вологи. По-друге, зменшує відбиття і підвищує прозорість для світла до понад 90% — панель поглинає навіть більше сонця, ніж без покриття. По-третє, виступає трибоелектричною поверхнею, що перетворює кінетику краплин на струм.
«Наша робота пропонує вдосконалене рішення, що поєднує перовськітну фотовольтаїку з трибоелектричними наногенераторами у конфігурації тонкої плівки», — зазначає дослідниця Кармен Лопес з ICMS.
Що показали нові спостереження
У лабораторних випробуваннях гібридний пристрій безперервно працював понад п’ять годин при постійному освітленні та періодичному крапанні води. Система заряджала конденсатори і живила світлодіодні лампочки. Червоний світлодіод працював від сонячної складової, а зелений вмикався і вимикався від енергії краплин дощу.
Максимальна щільність потужності трибоелектричного генератора склала близько 4 мВт/м². У гібридному режимі при половинній інтенсивності сонця система показала густину струму 11,6 мА/м². Це поки що менше, ніж дає фотовольтаїчна складова, проте кожен додатковий ват електроенергії — особливо в похмуру погоду — має реальну цінність. Схожу логіку доповнення, а не заміни енергосистем бачимо і в матеріалі про нідерландські перовськітові сонячні черепиці.
Чому це важливо для науки
Головна проблема сонячної енергетики — непостійність. Звичайні панелі виробляють лише одну десяту своєї потужності під час дощу і майже нічого вночі. У регіонах з тривалими дощовими сезонами це суттєво гальмує перехід на відновлювану енергетику.
Гібридна технологія ICMS не вирішує проблему повністю, але робить крок у важливому напрямку: перетворює несприятливі погодні умови на додаткове джерело живлення. Особливо перспективним виглядає застосування для Інтернету речей (IoT) — вуличних датчиків, моніторингових станцій, автономних сигнальних систем та аварійного освітлення, яким не потрібна велика потужність, але потрібна безперебійна робота.
Проєкт фінансується Європейською дослідницькою радою (ERC) в рамках гранту 3DScavengers та програми Next Generation EU. Дослідження також підкреслює перспективність перовськітних сонячних елементів — матеріалу з ефективністю вищою за традиційний кремній і значно нижчою вартістю виробництва. Про те як Копенгаген вже зараз реалізує амбітні енергетичні рішення, читайте у матеріалі про перехід міських автобусів на електрику.
Цікаві факти
Трибоелектричний ефект відомий людству понад 2 600 років — ще давні греки помітили, що натерта бурштином шерсть притягує легкі предмети, але лише зараз його вдалося запрягти в наногенератори
За даними Міжнародного енергетичного агентства (IEA), сонячні панелі покривають вже понад 5% світового виробництва електроенергії — і будь-яке збільшення їхньої ефективності у похмуру погоду має глобальний масштаб
Перовськітні сонячні елементи, на які нанесено нове покриття, здатні досягати коефіцієнта корисної дії понад 25% — це вже порівнянно з найкращими кремнієвими панелями промислового класу
Плівка настільки тонка, що 100 нанометрів — це приблизно в тисячу разів тонше за людську волосину, проте саме вона робить панель одночасно водостійкою, прозорішою і здатною генерувати струм із дощу
FAQ
Чи може така панель повністю замінити звичайну сонячну? Ні. Основну частину електроенергії, як і раніше, виробляє фотовольтаїчна складова під час сонячної погоди. Трибоелектричний генератор — це доповнення, яке допомагає не «простоювати» під час дощу та в похмурі дні.
Наскільки реальне масове виробництво цієї технології? Технологія нанесення плівки (PECVD) вже широко використовується в напівпровідниковій промисловості, тому масштабування виглядає реалістичним. Головне завдання зараз — підтвердити довговічність покриття за тривалого впливу погоди.
Де насамперед можна застосувати такі панелі? Насамперед — для автономних пристроїв IoT: вуличних сенсорів, метеостанцій, аварійних маяків та розумних знаків. Саме там невелика, але стабільна потужність цінніша за великі, але непостійні показники.
Іспанські вчені створили панель, яка живиться і сонцем і краплями дощу з’явилася спочатку на Цікавості.
