나뭇잎에서 영감을 받은 나노 발전기는 비와 바람을 사용하여 지속 가능한 녹색 전기를 생성합니다

플라톤에 의해 재발행

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17년 2024월 XNUMX일

(나노 워크 뉴스) 과학자들은 빗방울과 바람의 에너지를 활용하여 이를 전력 전자 장치에 사용 가능한 전기로 변환할 수 있는 혁신적인 새 장치를 개발했습니다. 이 기술은 에 발표된 논문에 설명되어 있습니다. ACS 지속 가능한 화학 및 엔지니어링 (“바람과 빗물 방울로부터 청정 에너지 생성을 위한 섬유 및 식물의 다중 소스 에너지 수확기”)은 재생 가능한 주변 에너지원으로부터 전력을 생산하는 지속 가능한 방법을 제공합니다. 이는 센서, 데이터 송신기 및 기타 전자 부품으로 구성된 자체 전원 네트워크를 구현하는 데 도움이 될 수 있습니다. 사물의 인터넷 IOT (). 연구자들은 햇빛, 진동, 열 차이 및 기타 소스로부터 주변 에너지를 수확하는 다양한 접근 방식을 탐색하고 있습니다. 그러나 대부분은 지속적으로 사용할 수 없는 단일 에너지 유형에 중점을 두었습니다. 새로운 연구는 보다 안정적인 발전을 위해 빗방울 에너지 수확기와 풍력 에너지 수확기를 결합한 통합 시스템을 보여줍니다. Northeastern University의 수석 연구원 Ravinder Dahiya는 "스마트 인프라와 환경 모니터링에 필요한 센서 네트워크에 전력을 공급하기 위해 분산되고 깨끗하며 지속 가능한 에너지 솔루션이 시급히 필요합니다"라고 말했습니다. “우리가 개발한 나뭇잎에서 영감을 받은 장치는 바람과 빗방울의 에너지를 효과적으로 활용하여 어디에서나 사용할 수 있는 전기를 생산할 수 있습니다. 추가 개발을 통해 이 기술을 활용하는 인공 나무를 배치하여 재생 가능한 전력을 수동적으로 생산할 수 있습니다.” 새로운 시스템은 전문화된 기술을 사용합니다. 나노발전기 한 층은 떨어지는 빗방울의 에너지를 포착하도록 설계되었고 다른 층은 풍력 발전을 활용하도록 설계되었습니다. 두 레이어 모두 전기 출력을 향상시키기 위해 고급 나노 코팅으로 처리된 지속 가능한 직물 소재로 구성되었습니다. 나뭇잎 모양의 인공 다원에너지 생성기의 모식도 나뭇잎 모양의 인공 다중소스 에너지 생성기의 개략도. (© ACS) 물방울 에너지 수확 기능은 자체 복원 소수성 표면 코팅과 결합된 마찰 전기 효과라는 메커니즘을 통해 작동합니다. 본질적으로 떨어지는 물방울의 운동 에너지로 인해 별도의 전극에 양전하와 음전하가 형성됩니다. 발수 코팅은 충격에 의해 물방울이 주기적으로 퍼지고 수축하게 하여 전자를 앞뒤로 이동시켜 전류를 생성합니다. 풍력 수확 층은 유사한 원리로 작동하지만 기류로 인해 두 직물 층이 반복적으로 접촉하고 분리됨에 따라 두 직물 층 사이의 접촉 대전에 의해 전하가 생성됩니다. 두 개의 나노발전기를 통합하면 장치가 주어진 시간에 사용 가능한 주변 기계적 에너지로부터 수동적으로 전기를 생산할 수 있습니다. 테스트에서 하이브리드 섬유 나노발전기는 시뮬레이션된 빗방울로부터 100V 이상의 전압 스파이크를 생성했으며 가벼운 바람에서는 10V 이상의 지속적인 출력을 생성했습니다. 이는 LED 어레이를 밝히고 에너지 저장 커패시터를 충전하기에 충분한 전력이었습니다. 연구원들은 또한 물방울 크기, 충격 속도, 접촉 압력 및 표면 질감과 같은 설계 매개변수를 최적화하기 위한 분석 모델을 개발했습니다. Dahiya 박사는 “제시된 잎 모양 수확기는 마찰 전기 및 물방울 기반 발전 메커니즘을 효과적으로 통합하여 여러 주변 에너지를 제거합니다.”라고 말했습니다. "모델링된 출력과 측정된 출력 모두 최대 수십 마이크로와트가 필요한 센서, 데이터 전송 회로 및 기타 전자 장치에 안정적으로 전력을 공급할 수 있음을 나타냅니다." 중요한 점은 모든 활성 물질이 지속 가능하고 생분해 가능한 직물과 나노구조 코팅이라는 점입니다. 리튬 배터리와 달리 폐기할 독성 성분이 없습니다. 이로 인해 인프라 유지 관리가 어려운 환경의 분산 발전기 네트워크에 특히 유망한 기술이 되었습니다. 저자는 유용한 전기를 지속적으로 수동적으로 생성하기 위해 인공 식물에 통합하고 어디든 배치할 수 있는 소수성에 최적화된 "전력 잎"과 같은 개선 사항을 구상하고 있습니다. 예를 들어 이러한 발전소 배열은 배터리 구동 IoT 장치를 영구적으로 작동할 수 있도록 세류 충전을 제공할 수 있습니다.
보다 광범위하게, 이 연구는 응용 나노과학이 긴급한 문제를 해결하는 자체 구동 시스템을 어떻게 만들 수 있는지 보여줍니다. 이는 재료와 장치가 수동적으로 동작하는 것보다 훨씬 더 많은 일을 할 수 있음을 보여줍니다. 즉, 외부 전력 없이 주변 에너지를 정확하게 필요한 에너지로 적극적으로 변환할 수 있습니다. 이러한 기술은 미래의 과제를 해결하기 위해 더욱 스마트하고 적응력이 뛰어나며 지속 가능한 인프라를 향한 길을 제시합니다.