Uma equipe de pesquisa liderada por cientistas da City University of Hong Kong (CityU) desenvolveu recentemente um gerador de eletricidade baseado em gotículas (DEG) com uma estrutura semelhante a um transistor de efeito de campo (FET) que permite alta eficiência de conversão de energia e potência instantânea densidade milhares de vezes maior que suas contrapartes sem tecnologia FET. Isso ajudaria a avançar na pesquisa científica da geração de energia hídrica e a enfrentar a crise energética.

A pesquisa foi liderada pelo professor Wang Zuankai, do Departamento de Engenharia Mecânica da CityU, Professor Zeng Xiao Cheng da Universidade de Nebraska-Lincoln, e o professor Wang Zhong Lin, diretor fundador e cientista-chefe do Instituto de Nanoenergia e Nanosistemas da Academia Chinesa de Ciências de Pequim. Suas descobertas foram publicadas em Natureza em um estudo intitulado "Um gerador de eletricidade baseado em gotículas com alta densidade de potência instantânea."

Eficiência de conversão de energia elétrica bastante melhorada

Cerca de 70% da superfície da Terra é coberta por água. No entanto, a energia cinética de baixa frequência contida nas ondas, marés, e mesmo as gotas de chuva não são eficientemente convertidas em energia elétrica devido às limitações da tecnologia atual. Por exemplo, um gerador de energia de gotícula convencional com base no efeito triboelétrico pode gerar eletricidade induzida por eletrificação de contato e indução eletrostática quando uma gota atinge uma superfície. Contudo, a quantidade de cargas geradas na superfície é limitada pelo efeito interfacial, e como resultado, a eficiência de conversão de energia é bastante baixa.

Para melhorar a eficiência da conversão, a equipe de pesquisa passou dois anos desenvolvendo o DEG. Sua densidade de potência instantânea pode atingir até 50,1 W / m ² , milhares de vezes maior do que outros dispositivos semelhantes sem o uso de design semelhante ao FET. E a eficiência de conversão de energia é notavelmente maior.

O professor Wang, da CityU, destacou que há dois fatores cruciais para a invenção. Primeiro, a equipe descobriu que as gotículas contínuas colidindo com o PTFE, um material de eletreto com uma carga elétrica quase permanente, fornece uma nova rota para o acúmulo e armazenamento de cargas superficiais de alta densidade. Eles descobriram que quando as gotas de água atingem continuamente a superfície do PTFE, as cargas superficiais geradas irão se acumular e gradualmente atingir a saturação. Esta nova descoberta ajudou a superar o gargalo de baixa densidade de carga encontrado em trabalhos anteriores.

Estrutura única semelhante a um transistor de efeito de campo

Outra característica importante de seu projeto é um conjunto exclusivo de estruturas semelhantes a um FET, o bloco de construção básico de dispositivos eletrônicos modernos. O dispositivo consiste em um eletrodo de alumínio e um eletrodo de óxido de índio e estanho (ITO) com uma película de PTFE depositada sobre ele. O eletrodo PTFE / ITO é responsável pela geração de carga, armazenamento e indução. Quando uma gota de água caindo atinge e se espalha na superfície de PTFE / ITO, naturalmente "une" o eletrodo de alumínio e o eletrodo de PTFE / ITO, traduzindo o sistema original em um circuito elétrico de circuito fechado.

Com este design especial, uma alta densidade de cargas superficiais pode ser acumulada no PTFE através da colisão contínua de gotículas. Enquanto isso, quando a água espalhada conecta os dois eletrodos, todas as cargas armazenadas no PTFE podem ser totalmente liberadas para a geração de corrente elétrica. Como resultado, tanto a densidade de potência instantânea quanto a eficiência de conversão de energia são muito maiores.

"Nossa pesquisa mostra que uma queda de 100 microlitros de água lançada de uma altura de 15 cm pode gerar uma voltagem de mais de 140 V. E a energia gerada pode acender 100 pequenas lâmpadas LED, "disse o professor Wang.

Ele acrescentou que o aumento na densidade de potência instantânea não resulta de energia adicional, mas da conversão da energia cinética da própria água. "A energia cinética inerente à queda d'água é devida à gravidade e pode ser considerada gratuita e renovável. Deve ser melhor aproveitada."

A pesquisa também mostra que a redução da umidade relativa não afeta a eficiência da geração de energia. Também, tanto a água da chuva quanto a do mar podem ser usadas para gerar eletricidade.

Facilita a sustentabilidade do mundo

O professor Wang esperava que o resultado dessa pesquisa ajudasse a coletar energia hídrica para responder ao problema global de escassez de energia renovável. "Gerar energia a partir de gotas de chuva em vez de petróleo e energia nuclear pode facilitar o desenvolvimento sustentável do mundo, " ele adicionou.

Ele acreditava que, a longo prazo, o novo design pode ser aplicado e instalado em diferentes superfícies, onde o líquido em contato com o sólido, para utilizar totalmente a energia cinética de baixa frequência na água. Isso pode variar desde a superfície do casco da balsa, litoral, à superfície de guarda-chuvas ou mesmo dentro de garrafas de água.