Наногенраторы начинают новую эру в жизни человечества и могут вырабатывать электроэнергию практически из любых видов микроколебаний. Достаточно несильно сжать наногенератор в пальцах и он начнет вырабатываться электрический ток. Еще в 2011 году был разработан простой наногенератор, преобразующий в электрическую энергию колебание в человеческом теле. Что-то аналогичное создавали и раньше, но модель оказалась более мощной, чем конкуренты в 1.000 раз. Учёными было принято решение представить генератор на рынке. В том же году, пятью наногенераторами, имеющими размер четверть почтовой этикетки стал вырабатываться ток в один микроампер, имеющий напряжение 3 в, что равно напряжению создаваемому двумя батарейками АА. Новым генератором стали подпитывать жидкокристаллические экраны калькуляторов, и даже осуществлять передачу беспроводных сигналов. Утверждается, что новому устройству довольно малейших вибраций, чтобы вырабатывать электроток, позволяющий поддерживать работоспособность мобильных устройств. Заряжаться мобильный телефон будет от человеческой ходьбы, от биения сердца и от слабого ветерка. Зарядка может производится от шума проезжающего автомобиля, и даже от громких разговоров.

Современные наногенераторы превращают любые движения (различные перемещения, колебания жидкости и биологическую вибрацию) в источник энергии. Ученые-исследователи сумели объединить наногенератор и солнечную батарею (ячейку), создав тем самым аппарат способный воспользоваться механической и солнечной энергией. Такой генератор-гибрид является первым в своей области.

Наногенераторы, как правило, используют пьезоэлектрический нанопровод. Этой похожей на волосы структурой, состоящей из оксидов цинка, генерируется электрические потенциалы, при механических воздействиях на нее, и создается небольшая энергия. Первым такой прибор изготовили под руководством профессора Zhong Li Wangа.

Если сравнивать с солнечной батареей, то наногенератор еще проигрывает и недостаточно эффективен, но солнечную энергию не всегда можно выработать.

Это и послужило поводом к появлению наногенератора-гибрида. У нового генератора имеется несколько слоев. В верхнем слое имеется место для тонкой солнечной батареи, затем место для кремниевого основания, а в нижнем слое – место для наногенератора. Особые полимеры скрепляют и покрывают все это. Основание из кремния для солнечной батареи и наногенератора является анодом батареи и катодом генератора.

Можно создать наногенератор и солнечную батарею больших размеров и применять их по отдельности, но генератор-гибрид более эффективен и занимает меньшую площадь. Опытные устройства сегодня могут производить 0,6в от энергии солнца и 10мв от пьезоэлектрического элемента. Ожидается увеличение мощности и эффективности этих генераторов-гибридов. Ученые всего мира считает что будущее энергетики за наногенераторами.

При запросе «наногенератор купить» гугл выдаёт интернет-магазин принадлежностей для аквариумов. «наногенератор», который они продают  — это обычный генератор волн. Видимо, для привлечения клиентов, маркетологи выбрали приставку «нано», которая сегодня стала синонимом технического прогресса. В наногенераторах, речь о которых пойдет в этой статье, приставка «нано» отражает размеры рабочего тела, за счет которого вырабатывается электричество. Наногенератор — это устройство, которое преобразуют механическую или тепловую энергию, производимую в результате маломасштабных физических изменений в среде(например, колебаний), в электрическую. В зависимости от того, каким образом преобразуется энергия, принято выделять три класса наногенераторов: пьезоэлектрический и трибоэлектрический преобразуют механическую энергию в электричество, а пироэлектрический тепловую.

Пьезоэлектрический наногенератор

Пьезоэлектрические наногенераторы основаны на (невероятно, но факт) пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэлектрический эффект — это явление, при котором деформация тела приводит к появления электрического заряда на его поверхности. В них используются так называемые нанопроволоки – проволоки с диаметром порядка нанометра. В результате деформации этих проволок на их поверхности образуется электрический заряд: в той части, которая сжата отрицательный заряд, а на растянутой – положительный.

Схема работы пьезоэлектрического наногенератора на примере одной нанопроволоки

Про CVD и Электроспиннинг:

Из недавних разработок можно выделить IENG. IENG может выдавать максимальный пиковый ток короткого замыкания 320 мкА и соответствующую плотность тока 290 мкА/см^2, что превосходит предыдущие разработки пьезоэлектрических наногенераторов почти в два раза. Подробнее об это можно почитать здесь.

Пироэлектрический наногенератор

В таких наногенераторах используется два физических явления — это возникновение в кристаллических диэлектриках поляризации при изменении температуры(свойство пироэлектриков) и эффект Зеебека. Эффект Зеебека – это появления ЭДС в на концах последовательно соединенных разнородных проводников, контакты которых имеют разную температуру. Обратный эффект называется эффект Пельтье

Про пьезоэлектрический эффект при нагреве

Янтарь — классический пример пироэлектрика

Обычно для получения электричества в пироэлектрических наногенераторах используется эффект Зеебека, но в среде, где температура однородна, например, на открытом воздухе, необходимо использовать свойства пироэлектриков. Отсюда и вытекает одна из особенностей пироэлектрических наногенераторов — узконаправленность: где хорошо работает один тип, там работает плохо другой, и наоборот.

Схема работы пироэлектрика: Ag — серебро, ITO – Оксид индия-олова. Углы на схеме обозначают градусы, в рамках которых будет колебаться диполь под действием температуры.

В целом, пироэлектрические наногенераторы характеризуются высоким напряжением, но невысокой силой тока. Первый пироэлектрический наногенератор был представлен профессором Чжун Линь Вангом из Технологического института Джорджии в 2012 году. Такие генераторы можно широко использовать не только как источники электричества, но и как датчики изменения температур.

Трибоэлектрические наногенераторы и китайский WT-TENG

Наверняка все в детстве натирали расчетку или воздушный шарик о волосы и представляли себя волшебником, поднимая кусочки бумаги в воздух. Данное волшебство объясняется трибоэлектрическим эффектом. Трибоэлектрический эффект — это явление возникновения электрического заряда в результате трения. Основной недостаток таких генераторов – это необходимость держать поверхности в контакте, что является сложной задачей. К тому же само трение ведет к разрушению поверхностей. Совсем недавно, 11 марта исследователи из Китайского университета Гонконга (CUHK) сообщили о своей разработке наногенератора, основанного на трение твердой поверхности и воды — WT-TENG.

Пример работы 150 светодиодов от WT-TENG

Размер полученного генератора сравним со средним пальцем. Со слов исследователей, характеристики у WT-TENG следующие: 9 микрокулонов на м^3 с частотой 0.25 Гц. Ознакомиться с исследованием можно по этой ссылке.

Вот видео, демонстрирующее работу наногенератора:

Необычный способ использования трибоэлектрических наногенераторов применили Ученые из Корейского национального университета Чеджу. Они встроили их в игрушки, которые при определенных действиях(нажатие или тряска) загораются:

Эпилог

Конечно, использование таких технологий для игрушек нельзя назвать невероятным успехом. Но потенциал наногенераторов огромен: различные автономные датчики, например, GPS-трекеры для отслеживания миграции диких животных(ну или чипирование людей от Билла Гейтса) , уменьшение зависимости гаджетов от стационарных источников электричества. Возможно, увеличение КПД различных приборов  за счет сбора отработанной энергии(тепло, вибрации и т.п.). В общем, есть где разгуляться.

Источники: https://habr.com/, http://electrik.info/

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!