В современном мире энергия является одним из самых ценных ресурсов, это фундамент всей человеческой цивилизации сейчас и залог осуществления наших амбиций в будущем. Без электричества нам трудно себе представить как бытовой комфорт, так и организацию рабочего процесса. Поэтому мы ищем способы добычи электрической энергии из любой лазейки в естественнонаучном законодательстве.
Человек генерирует около 100 Вт мощности в покое [1] . На спокойную ходьбу человек затрачивает еще около 60 Вт мощности, при этом предельный КПД ходьбы достигает 65% [2], что означает, что 35% мощности (т.е. 21 Вт) составляют потери не связанные с поступательным движением. Таким образом мощность в 121 Вт оказывается недоиспользованной при обычной прогулке. Даже если удастся улавливать 10% этих потерь, то есть 12 Вт, то за 40 минут можно накопить энергию, необходимую для полной зарядки айфона.
Основная часть этой энергии – двух видов: механическая и тепловая. Мы генерируем и другие виды энергии (например химическая - потоотделение), но они сложнее для улавливания и менее эффективны для использования. Для преобразования энергии, выделяемой человеком (и не только) в электрическую в настоящее время ведутся разработки нано генераторов (NGs) следующих типов [3]:
- трибоэлектрический нано генератор (TENG);
- пьезоэлектрический нано генератор (PNG);
- термоэлектрический генератор (TEG);
- пироэлектрический генератор (PYG).
Не претендуя на полноту, я сделал короткий обзор по технологии и перспективам ее развития.
Часть 1. Трибоэлектрический нано генератор (TENG)
1.1 Принцип
Трибоэлектрический эффект известен ученым уже более 2500 лет и любому человеку с начала сознательного возраста. Его суть в формировании электрических зарядов разной полярности при разделении определенных пар материалов после плотного контакта (шелк/стекло, кот/синтетический свитер и т.д.). Если вы волосатый и темпераментный и резко снимаете футболку, то можете сгенерировать разность потенциалов в несколько тысяч вольт.
Упрощенно трибоэлектрический эффект состоит в следующем. При соприкосновении двух материалов между атомами материалов возникает электрохимическая связь (адгезия) при которой электроны или слабосвязанные ионы одного материала захватываются атомами другого материала (не вдаваясь в подробности, возможность материалов отдавать и принимать заряды обуславливаются их атомной структурой). После разделения новое распределение зарядов сохраняется, при этом на каждом материале образуется дисбаланс зарядов на каждой из его сторон, материалы поляризуются. Таким образом если подключить к противоположным сторонам каждого из материалов вольтметр, то можно зафиксировать разность потенциалов. Причем, если подключить нагрузку к внешним поверхностям материалов, ток через нее будет протекать только в моменты сближения и отдаления этих материалов. Именно в эти моменты на внешних поверхностях будут находиться свободные заряды, не уравновешенные электрическим полем внутри каждого из диэлектриков.
Трибоэлектрический эффект до сих пор остается недостаточно изученным и для практических применений часто используются эмпирические данные. Например, подбор пар трибоэлектрических материалов осуществляется по экспериментально составленным трибоэлектрическим рядам в том числе циклическим.
1.2 Типы TENG
К настоящему моменту разработано множество прототипов трибоэлектрических генераторов, но все они работают в одном из 4 основных режимов [5]:
- режим вертикального контакта (vertical contact mode);
- режим бокового скольжения (lateral sliding mode);
- режим уединенного электрода (single electrode mode);
- режим свободного трибоэлектрического слоя (freestanding triboelectric layer mode).
В зависимости от режима TENG имеют различные значения плотности генерируемой мощности и эффективности, а также отличаются потенциальными направлениями применения. Ниже приведены указанные параметры для различных режимов работы TENG.
Из таблицы видно что сферы внедрения TENG практически не ограничены, при этом плотность мощности вырабатываемая такими устройствами хоть и сравнительно невелика, но в совокупности достаточна, чтобы в течении для накопить энергию, необходимую для подзарядки носимой электроники.
Преимущества различных режимов работы TENG могут быть скомбинированы при разработке трибоэлектрических тканей. Такое исполнение генератора позволяет максимизировать рабочую площадь, и добиться высокой эргономики, встраивая генератор непосредственно в одежду.
Одна из последних разработок в области трибоэлектрических тканей описана была описана 2021 году японскими разработчиками (University of Fukui). Ткань может быть полностью интегрирована в одежду и имеет высокую эффективность за счет снижения рассеяния сгенерированного заряда. Демонстрационный образец зажигал 126 светодиодов мощностью 0.06 Вт каждый.
2. Развитие технологии
После изобретения первого трибоэлектрического генератора в 2012 году, направление стало буро развиваться. Основные разработки (судя по количеству публикаций) в данной области проводятся в Корее, Китае, США и Японии.
Согласно прогнозам исследователей от 2012 года сейчас должна наступить фаза создания продуктов и внедрения в потребительскую инфраструктуру умных вещей. Однако пока подобных тенденций не наблюдается, отсутствуют даже публичные анонсы каких либо продуктов.
3. Заключение
Концепция TENG выглядит как чрезвычайно перспективная для внедрения не только в качестве персональных носимы источников электроэнергии, но также и в сфере энергетики средней и большой мощности для добычи энергии из воды, ветра и т.д. Однако на открытом рынке в настоящее время мной ни найдено ни коммерчески применимых материалов ни, тем более, готовых продуктов. В совокупности с довольно высокой технологичностью TENG представляется возможным рассматривать это направление как перспективное для работы в малых командах над идеями и продуктами, построенными на базе данной технологии.
Источники:
1. https://tehtab.ru/Guide/Engineers/HumanBeing/MetabolicHeatGain/
3. Venkateswaran Vivekananthan, Arunkumar Chandrasekhar, Nagamalleswara Rao Alluri, Yuvasree Purusothaman, Gaurav Khandelwal and Sang-Jae Kim. Triboelectric Nanogenerators: Design, Fabrication, Energy, Harvesting, and Portable-Wearable Applications. InTechOpen. 2020. 10.5772/intechopen.90951
4. https://habr.com/ru/company/prestigio/blog/389201/
5. Shuaihang PAN, Zhinan ZHANG: Fundamental theories and basic principles of triboelectric effect: A review. 2018. CN 10-1237/TH
6. Ronan Hinchet, Wanchul Seung, and Sang-Woo Kim: Recent Progress on Flexible Triboelectric Nanogenerators for SelfPowered Electronics. ChemSusChem 2015, 8, 2327 – 2344
7. Arunkumar Chandrasekhar, a Nagamalleswara Rao Alluri, b M. S. P. Sudhakaran,Young Sun Mokd and Sang-Jae Kim: A smart mobile pouch as a biomechanical energy harvester towards self-powered smart wireless power transfer applications. Nanoscale .2017. 10.1039/C7NR00110J
9. Zhong Lin Wang : Triboelectric nanogenerators as new energy technology and self-powered sensors – Principles, problems and perspectives