Un equipo de investigación dirigido por científicos de la City University of Hong Kong (CityU) ha desarrollado recientemente un generador de electricidad basado en gotas (DEG) con una estructura similar a un transistor de efecto de campo (FET) que permite una alta eficiencia de conversión de energía y potencia instantánea. densidad miles de veces mayor que la de sus homólogos sin tecnología FET. Esto ayudaría a promover la investigación científica sobre la generación de energía hídrica y abordar la crisis energética.

La investigación fue dirigida en conjunto por el profesor Wang Zuankai del Departamento de Ingeniería Mecánica de CityU, El profesor Zeng Xiao Cheng de la Universidad de Nebraska-Lincoln, y el profesor Wang Zhong Lin, director fundador y científico jefe del Instituto de Nanoenergía y Nanosistemas de Beijing de la Academia de Ciencias de China. Sus hallazgos fueron publicados en Naturaleza en un estudio titulado "Un generador de electricidad basado en gotas con alta densidad de potencia instantánea".

La eficiencia de la conversión de energía eléctrica ha mejorado enormemente.

Aproximadamente el 70% de la superficie de la Tierra está cubierta por agua. Sin embargo, la energía cinética de baja frecuencia contenida en ondas, mareas e incluso las gotas de lluvia no se convierten de manera eficiente en energía eléctrica debido a las limitaciones de la tecnología actual. Por ejemplo, Un generador de energía de gotas convencional basado en el efecto triboeléctrico puede generar electricidad inducida por electrificación de contacto e inducción electrostática cuando una gota golpea una superficie. Sin embargo, la cantidad de cargas generadas en la superficie está limitada por el efecto interfacial, y como un resultado, la eficiencia de conversión de energía es bastante baja.

Para mejorar la eficiencia de conversión, el equipo de investigación lleva dos años desarrollando el DEG. Su densidad de potencia instantánea puede alcanzar hasta 50,1 W / m ² , miles de veces más alto que otros dispositivos similares sin el uso de un diseño similar a FET. Y la eficiencia de conversión de energía es notablemente mayor.

El profesor Wang de CityU señaló que hay dos factores cruciales para la invención. Primero, el equipo descubrió que las gotas continuas que inciden sobre el PTFE, un material electret con una carga eléctrica casi permanente, proporciona una nueva ruta para la acumulación y almacenamiento de cargas superficiales de alta densidad. Descubrieron que cuando las gotas de agua golpean continuamente la superficie del PTFE, las cargas superficiales generadas se acumularán y gradualmente alcanzarán una saturación. Este nuevo descubrimiento ayudó a superar el cuello de botella de la baja densidad de carga encontrado en trabajos anteriores.

Estructura única similar a un transistor de efecto de campo

Otra característica clave de su diseño es un conjunto único de estructuras similares a un FET, el componente básico de los dispositivos electrónicos modernos. El dispositivo consta de un electrodo de aluminio y un electrodo de óxido de indio y estaño (ITO) con una película de PTFE depositada sobre él. El electrodo de PTFE / ITO es responsable de la generación de carga, almacenamiento e inducción. Cuando una gota de agua cae y se esparce sobre la superficie de PTFE / ITO, naturalmente "une" el electrodo de aluminio y el electrodo de PTFE / ITO, traducir el sistema original en un circuito eléctrico de circuito cerrado.

Con este diseño especial, se puede acumular una alta densidad de cargas superficiales en el PTFE a través del impacto continuo de las gotas. Mientras tanto, cuando el agua que se esparce conecta los dos electrodos, todas las cargas almacenadas en el PTFE se pueden liberar por completo para la generación de corriente eléctrica. Como resultado, tanto la densidad de potencia instantánea como la eficiencia de conversión de energía son mucho mayores.

"Nuestra investigación muestra que una gota de 100 microlitros de agua liberada desde una altura de 15 cm puede generar un voltaje de más de 140 V. Y la energía generada puede iluminar 100 pequeñas bombillas LED, "dijo el profesor Wang.

Agregó que el aumento en la densidad de potencia instantánea no es el resultado de energía adicional, sino de la conversión de la energía cinética del agua misma. "La energía cinética que conlleva la caída de agua se debe a la gravedad y puede considerarse gratuita y renovable. Debería utilizarse mejor".

Su investigación también muestra que la reducción de la humedad relativa no afecta la eficiencia de la generación de energía. También, tanto el agua de lluvia como el agua de mar se pueden utilizar para generar electricidad.

Facilita la sostenibilidad del mundo

El profesor Wang esperaba que el resultado de esta investigación ayudara a recolectar la energía del agua para responder al problema global de la escasez de energía renovable. "Generar energía a partir de gotas de lluvia en lugar de petróleo y energía nuclear puede facilitar el desarrollo sostenible del mundo, "añadió.

Creía que a la larga, el nuevo diseño podría aplicarse e instalarse en diferentes superficies, donde el líquido entra en contacto con el sólido, para utilizar completamente la energía cinética de baja frecuencia en el agua. Esto puede variar desde la superficie del casco del ferry, línea costera, a la superficie de los paraguas o incluso al interior de botellas de agua.