Наблюдение за океаном имеет решающее значение для понимания океанических экосистем и изменения климата. Датчики и другие устройства на платформах в океане используются для мониторинга цунами, ураганов и морской погоды, чтобы обеспечить безопасность прибрежных сообществ. Системы наблюдения за океаном в основном питаются от батарей с ограниченным сроком службы, поэтому необходимо разработать решение для сбора «волновой» энергии.
Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) разработали новый цилиндрический трибоэлектрический наногенератор (TENG) - небольшую электростанцию, которая преобразует волновую энергию в электрическую для питания датчиков и устройств в океане. Это устраняет необходимость замены дорогостоящих аккумуляторов.
Более крупные версии этого генератора могут использоваться для питания систем наблюдения за океаном и связи, включая акустическую и спутниковую телеметрию.
«TENG может эффективно преобразовывать медленные, однородные или случайные волны в энергию, что делает их особенно подходящими для питания устройств в открытом океане, где мониторинг и доступ являются сложными и дорогостоящими», - пояснил Дэниел Денг, PNNL.
Запатентованный цилиндрический трибоэлектрический наногенератор с умножением частоты (FMC-TENG), разработанный Денгом и его командой, использует тщательно расположенные магниты для более эффективного преобразования энергии, чем другие цилиндрические TENG, и лучше преобразует медленные однородные волны в электричество. Прототип FMC-TENG до сих пор мог производить достаточно электроэнергии для питания акустического передатчика на платформах наблюдения за океаном, который можно использовать для связи.
Цилиндрический TENG состоит из двух вложенных друг в друга цилиндров, при этом внутренний цилиндр свободно вращается. Между двумя цилиндрами находятся полоски искусственного меха, алюминиевые электроды и материал, который называется фторированный этиленпропилен (ФЭП).
Когда TENG катится океанской волной, искусственный мех и алюминиевые электроды на одном цилиндре трутся о материал ФЭП на внутренней стороне другого цилиндра. При этом они генерируют статическое электричество, которое преобразуется в энергию. Чем больше движется цилиндрический TENG, тем больше энергии он вырабатывает.
Чтобы увеличить количество энергии волны, преобразуемой в электричество, в FMC-TENG, команда разместила магниты внутри устройства, которые предотвращают вращение внутреннего цилиндра, пока он не достигнет гребня волны. Это позволяет устройству накапливать больше потенциальной энергии. Приближаясь к гребню волны, магниты освобождаются и внутренний цилиндр начинает очень быстро катиться вниз по волне. Более быстрое движение генерирует электричество более эффективно, генерируя больше энергии из более медленной волны.
Прототип FMC-TENG производит достаточную мощность для работы небольшой электроники, такой как датчики температуры и акустические передатчики. Команда планирует улучшить свою конструкцию для коммерческого использования, которая, как ожидается, будет производить достаточно энергии для работы всей платформы мониторинга открытого океана, состоящей из нескольких датчиков и спутниковой связи. Кроме того, FMC-TENG имеет малый вес и может использоваться как на свободно плавающих устройствах, так и на пришвартованных платформах.
«FMC-TENG уникален тем, что существует очень мало эффективных преобразователей энергии волн, способных генерировать значительную мощность из низкочастотных океанских волн», - сказал Дэн. «Этот тип генератора потенциально может питать интегрированные буи с массивами датчиков для отслеживания данных о воде, ветре и климате в открытом океане, полностью используя возобновляемую энергию океана».
