Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 32 – vyšlo 16. srpna, ročník 17 (2019) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

32/2019

Modrý sen aneb cesta do oceánů pro elektrickou energii

Pavel Galář

Triboelektrické nanogenerátory II

Mezi nejdůležitější budoucí aplikace TENG patří konverze mechanické energie vody v mořích a především v oceánech na elektrickou energii – tzv. modrou energii. Oceány pokrývají více než 70 % povrchu Země a mechanická energie s nimi spojená mnohonásobně převyšuje současnou potřebu lidstva. Její efektivní přeměna na elektrickou energii by tedy mohla významně pomoci v řešení energetické otázky, což je někdy označováno jako tzv. modrý sen (z anglického blue dream). Modrá energie se dá rozdělit do několika kategorií: energie spojená s přílivem, vodními vlnami, vodními proudy, tepelným gradientem a gradientem slanosti vody. Přestože je téměř polovina veškeré modré energie uložena ve vlnách, současné EMG struktury využívají (až na výjimky) prakticky jen energii vodních proudů (Obr. 1), což je dáno především nízkou frekvencí vln, která je nižší než pět hertzů. Tento fakt však není pro zařízení TENG překážkou a jelikož se nanogenerátory dají konstruovat natolik lehké, že plavou na hladině, zdají se být ideálními zařízeními právě pro využití energie vodních vln. Nanogenerátory určené pro získávání modré energie jsou v naprosté většině případů v jednoelektrodovém nastavení, případě v režimu s volnou dielektrickou vrstvou (viz AB 31/2019). Na základě konstrukce se dají tato zařízení TENG rozdělit do dvou základních skupin – otevřených a uzavřených nanogenerátorů.

Obr. 1: Příklady vodních elektráren fungujících na bázi EMG. Obrázek obsahuje
i návrhy EMG generátorů pro konverzi energie vln [2].

Otevřené nanogenerátory (kapalino-pevné)

Tento typ generátoru TENG využívá jako jeden z triboelektrických materiálů vodu. U těchto zařízení dochází k periodickému kontaktu vody nejčastěji s polymerem, což vytváří potenciálový rozdíl mezi elektrodami v nanogenerátoru, a tím ke vzniku elektrické energie (Obr. 2). Voda získává svůj triboeletrický náboj díky tření se vzduchem, případně přívodní trubkou, která ji přivádí do pracovního prostoru zařízení TENG. Zajímavý je například návrh konstrukce tzv. kapkového TENG, kde dochází ke vzniku elektrické energie klouzáním kapky po povrchu polymeru (Obr. 2b). Přestože mají otevřené nanogenerátory dobrou účinnost a často jednoduchou konstrukci, trpí bohužel rychlou degradací způsobenou působením slané vody na pracovní plochy nanogenerátoru. Z praktického hlediska se tedy jako zajímavější jeví plně uzavřené nanogerátory.

Obr. 2: Příklady otevřených triboelektrických nanogenerátorů určených
ke generování modré energie [2].

Uzavřené nanogenátory (plně pevné)

Tyto generátory jsou primárně koncipovány jako hladinové a jsou plně uzavřené. Přestože bylo navrženo mnoho různých konstrukčních řešení těchto nanogenerátorů, ty nejúspěšnější jsou složeny z pohyblivé části (nejčastěji kuličky), která je uzavřena uvnitř nanogenerátoru. Kulička pohupováním na vlnách získává mechanickou energii, kterou převádí nárazy do pláště nanogenerátoru. V některých případech může kulička sloužit i jako volný triboelektrický materiál. Některé realizace uzavřených nanogenerátorů jsou uvedeny na obrázku 3. Obrázek 3a zachycuje schéma kuličkového TENG, kde nylonová kulička klouže po kaptonovém povrchu, což vytváří elektrický proud mezi hliníkovými elektrodami v plášti nanogenerátoru. Další úspěšnou konstrukcí je tzv. nanogenerátor kachního tvaru (z anglického duck-shape), uvnitř kterého se při pohybu na vlnách přelévají nylonové kuličky po kaptonovém substrátu s elektrodou (Obr. 3b). Nejvíce sofistikovaná konstrukce generátoru TENG je na obrázku 3c, kde kulička při pohybu naráží na stěny dvanáctistěnu, které jsou složeny ze zařízení TENG využívajícími dvou destiček, mezi kterými jsou uzavřeny elektrody vlnitého tvaru (z anglického wavy-electrode structure). Díky této konstrukci může dané zařízení přijímat modrou energii z jakéhokoliv směru.

Obr. 3: Příklady uzavřených triboelektrických nanogenerátorů (TENG) určených ke generování modré energie. a) kuličkový nanonerátor, b) nanogenerátor kachního tvaru a c) nanogenerátor využívající vlnité elektrody [2].

Uváděná zařízení vykazují při ideálních podmínkách elektrický výkon v jednotkách wattů na metr čtvereční, což v přepočtu znamená, že jeden TENG je schopen napájet až několik desítek světel LEDLED – Light Emitting Diode, světlo emitující dioda. LED je polovodičová optoelektronická součástka, která emituje nekoherentní monochromatické světlo při průchodu proudu v propustném směru. Emise světla vzniká na základě elektroluminiscence. (viz Obr. 3c). Pro větší využití těchto zařízení je nutno vyvinout technologii k efektivnímu vytváření sítí uvedených nanogenerátorů (obr. 4a). Dle nejnovějších odhadů by síť uzavřených generátorů TENG o rozloze 1 km² mohla generovat až 1 MW elektrické energie (pro srovnání: tepelná elektrárna Praha Malešice: 112 MW; 1 blok jaderné elektrárny Temelín: 1055 MW [12]). Obrovskou výhodou zařízení TENG je, že nemusí být pouze na hladině, ale jejich konstrukce se dá upravit i tak, aby fungovaly i pod hladinou, čímž se výtěžnost oceánské plochy výrazně znásobí. Pro nasycení celkové současné světové poptávky po elektrické energii by bylo nutno vytvořit síť generátorů TENG, které by byly navzájem vzdáleny 10 cm a sahaly by do hloubky 10 m na ploše řádově 150 000 km². Tato plocha odpovídá 0,04 % povrchu oceánů na Zemi. Systém TENG se dá navíc hybridně kombinovat se solárními panely a větrnými elektrárnami, což by výsledný výkon ještě zvyšovalo (Obr. 4b). Před realizací tohoto modrého snu je však nutno překonat mnoho překážek. Je nutné vytvořit vhodné propojení nanogenerátorů, optimalizovat stabilitu TENG, vyřešit otázku skladování a transportu vzniklé elektrické energie, zabezpečit ochranu dané sítě před zásadní nepřízní počasí a také studovat vliv takového systému na životní prostředí.

Obr. 4: a) Simulace sítě kuličkových nanogenerátorů pro výrobu modré energie ve velkém. b) Grafické znázornění možné struktury hybridní sítě pro výrobu elektrické energie na vodní hladině zahrnující větrné elektrárny, solární panely a hladinové a podhladinové nanogenerátory [11].

Odkazy