Помимо уже известных источников энергии, таких как солнечная энергия, ветер, биомасса и морские волны и др., ученые Национального университета Сингапура недавно разработали принципиально новый метод для получения электричества из тени. В статье, которая была опубликована в авторитетном научном журнале “Energy and Environmental Science”, исследователи представляют генератор энергии, основанный на эффекте тени (SEG). Предложенное устройство способно преобразовывать световой контраст, возникающий от теней, в электрический ток. Конструкция SEG напоминает солнечную батарею и состоит из гибких ячеек, каждая из которых представляет собой тонкую (15 нанометров) золотую пленку, нанесенную на кремниевую пластину. Все это смонтировано на гибкой и прозрачной пластиковой основе.
Объёмное изображение ячейки SEG
Авторы разработки уточняют, что эффективность действия «эффекта тени» экспериментально подтверждена методом силовой микроскопии зонда Кельвина (Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM), позволяющим запечатлеть движение и распределение заряда внутри молекулы, не нарушая её структуру.
SEG генерирует энергию от светового контраста, возникающего под слабым комнатным освещением. Получается это у него неплохо – вдвое лучше, чем у представленных на рынке солнечных панелей (если бы они работали не под открытым солнцем, а в комнате).
Энергии, полученной прибором при интенсивности освещения 0,0025 от солнечного света, достаточно, чтобы запитать электронные часы (1,2 вольт). Кроме того, SEG может служить в качестве автономного датчика движения, отслеживающего перемещение теней. Исследователи называют и прибор, и технологию, позволяющую собирать энергию в тени, «беспрецедентными».
«Окружающие нас тени мы принимаем как должное, – говорит доцент кафедры материаловедения и инженерии Национального университета Сингапура, Тан Суи Чин (Tan Swee Ching). – Для традиционных фотовольтаических и оптоэлектронных элементов, питающих приборы от источника устойчивого света, наличие тени крайне нежелательно – она снижает производительность этих элементов. Нам же удалось использовать контраст между светом и тенью, сделав его косвенным источником энергии. Контраст в освещении вызывает разность напряжений между затенённым и освещённым участками, в результате чего возникает электрический ток».
«Когда SEG находится под светом или в тени целиком, он не производит энергии. Работать устройство начинает, когда половина его оказывается в тени», – добавляет соавтор проекта, профессор Эндрю Уи (Andrew Wee).
Первый в своём роде
По словам учёных, способов применения технологии множество – от продления срока службы носимой электроники до повышения производительности солнечных батарей в тени. Также исследователи ищут способы создания автономных сенсоров на базе SEG, которые можно было бы закрепить на одежде и использовать в повседневной жизни. Ещё один потенциальный способ применения – создание генерирующих панелей, работающих от внутрикомнатного освещения.
На следующем этапе исследований учёные планируют экспериментировать с другими материалами, чтобы снизить стоимость устройства. Их задача – исключить из схемы золото. Сейчас квадратный метр SEG обойдётся по предварительным подсчётам в 30–50 долларов. Для улучшения свойств могут быть использованы решения, которые уже доказали свою эффективность в солнечных панелях, к примеру обработка поверхности для лучшего улавливания света.
Пока устройство в большей степени адаптировано для применения внутри помещений, скажем, для питания небольших гаджетов. Но исследователи рассчитывают повысить эффективность своей разработки и со временем предложить варианты уличного применения.
«У индустрии солнечных панелей ушли годы, чтобы достичь нынешнего уровня эффективности. Наш девайс – первый в своём роде, и нам ещё многое предстоит сделать, чтобы его усовершенствовать. Надеюсь, что однажды мы увидим, как SEG производит электричество в промышленных масштабах», – говорит Тан Суи Чин.
По его словам, в перспективе основной зоной применения таких устройств должны стать плотно застроенные городские пространства, где высотные здания, пешеходы и автомобили отбрасывают множество теней. В пользу SEG говорит высокая устойчивость девайса к внешним температурным и механическим воздействиям, а также влажности. Проще говоря, такую плёнку вполне можно монтировать прямо в тротуар.
Любопытно, что менее года назад Тан Суи Чин и его коллеги представили другую любопытную разработку – материал, собирающий влагу из окружающего воздуха и превращающий её в источник энергии. Почерпнув вдохновение у тропических растений, они предложили решение актуальной для Сингапура проблемы – сделали первый шаг к тому, чтобы липкую тропическую жару поставить на службу человеку.
Совместив влагопоглощающий гель на основе цинка и кобальта со светоактивными материалами, Тан Суи Чин с коллегами создали устройство для сушки атмосферного воздуха, способное снизить влажность в помещении на 12%, вырабатывая при этом слабый электрический ток.
Солнечная панель наоборот
Сингапурские физики не единственные и даже не первые, кто пытался заставить работать фотоэлектрические панели в темноте. В начале этого года Джереми Манди, профессор Калифорнийского университета в Дэвисе, представил прототип устройства, способного выдавать 50 ватт энергии на м2 под ночным небом – примерно четверть от того, на что способны обычные солнечные панели ясным днём.
«Обычный фотоэлемент генерирует энергию, впитывая солнечный свет, что приводит к образованию напряжения в устройстве и возникновению тока. В новом устройстве свет, наоборот, излучается, а ток и напряжение идут в противоположном направлении, но энергия всё равно вырабатывается, – пояснил Манди. – Приходится использовать другие материалы, но физика та же самая».
Термолучевой элемент, лежащий в основе разработки, может работать и днём, скажем, в пасмурную погоду, так что его можно использовать для повышения эффективности солнечных электростанций.
Ещё раньше – осенью прошлого года – аналогичное устройство представили академические соседи Манди – физики из Калифорнийского университета Лос-Анджелеса. Их панель, состоящую из полистиролового кожуха, покрытого лёгкой алюминиевой пленкой-майларом, испытывали холодной декабрьской ночью. Принцип её действия схож – панель теряет тепло посредством инфракрасного излучателя, соединённого с термоэлектрическим модулем, который в свою очередь подключён к преобразователю постоянного тока. Правда показатели оказались скромнее – 25 милливатт на м2. Единственное, что удалось запитать с помощью этого тока, – одинокий белый светодиод.
Устройство на базе термоизлучателя, представленное в Калифорнийском университете Лос-Анджелеса
«Наша работа подчёркивает, как много возможностей с точки зрения возобновляемой энергетики таится в холоде окружающего нас космоса, – прокомментировал результаты проекта один из его участников, Аасват Раман (Aaswath Raman), доцент материаловедения и инженерии Калифорнийского университета Лос-Анджелеса. – Мы считаем нашу разработку основой для усовершенствования солнечных панелей. Её выходная мощность всегда будет меньше, но её можно использовать в те часы, когда солнечные панели нельзя».
Автор: Григорий Вольф
Источник: https://peretok.ru/
