Искусственный лист черпает энергию из ветра и капель дождя

Эта статья является частью нашей эксклюзивной серии IEEE Journal Watch, созданной в сотрудничестве с IEEE Xplore.

Когда дело доходит до сбора энергии из воды или ветра, первая мысль, которая приходит на ум, — это, скорее всего, огромная гидроэлектростанция или ветряная электростанция. Но думайте мельче.

Исследователи из Италии разработали систему сбора энергии, которая может быть встроена в растения и вырабатывать электричество из капель дождя или ветра. В дождливую или ветреную погоду устройство может вырабатывать достаточно электричества, чтобы зажечь светодиодные фонари и обеспечить себя питанием. Новое устройство описано в исследовании, опубликованном 28 февраля в журнале IEEE Robotics and Automation Letters.

Фабиан Медер — исследователь, изучающий биоинспирированную мягкую робототехнику в Итальянском технологическом институте (IIT) в Генуе, Италия. Он отмечает, что система, использующая листья для производства энергии, может быть особенно полезна для сельскохозяйственных применений и дистанционного мониторинга окружающей среды, где необходимы датчики с автономным питанием для наблюдения за здоровьем растений или мониторинга климатических условий.

Устройство, созданное Медером и его коллегами, включает в себя искусственный лист со слоем силиконового эластомера внизу, который добавляется среди листьев настоящего растения. «Когда [листья] движутся на ветру, две поверхности соприкасаются друг с другом и снова разделяются, создавая статические заряды на кутикуле листьев растений и на нашем устройстве», — объясняет Медер. «Эти заряды индуцируются во внутренней клеточной ткани растения, где они создают ток. Мы можем собирать этот ток с помощью электрода, вставленного в ткань растения».

Несколько существующих сборщиков энергии, встроенных в растения, используют аналогичную технику для получения электроэнергии из ветра, но эта исследовательская группа пошла еще дальше, позволив своему устройству также собирать энергию из капель дождя.

В то время как слой силиконового эластомера располагается вдоль нижней части искусственного листа, генерируя и собирая статические заряды от шелеста листьев, искусственный лист имеет на верхней стороне другой слой, фторированный этиленпропилен (ФЭП). Когда капли дождя падают на этот верхний слой, они заряжают поверхность и соединяют электроды, встроенные внутри и сверху искусственного листа, создавая конденсатор. Когда капли дождя сжимаются и распространяются по поверхности листа, емкостная связь между электродами меняется, создавая ток.

Искусственный лист создает электричество из капель дождя и Windyoutu.be

В своем исследовании исследователи внедрили систему искусственных листьев в листья живого растения олеандра и оценили его способность собирать энергию при различном количестве осадков и ветре. Они обнаружили, что отдельные капли воды создают пики напряжения и тока более 40 вольт и 15 микроампер и могут напрямую питать 11 светодиодных фонарей.

«Результаты показали, что с помощью устройства можно собирать энергию ветра и дождя — как по отдельности, так и одновременно, что делает его многофункциональным сборщиком энергии или датчиком с автономным питанием», — говорит Барбара Маццолаи, заместитель директора по робототехнике и директор отдела биоинспирированной мягкой робототехники IIT. Лаборатория, которая также принимала участие в исследовании.

Она отмечает, что существующие системы сбора энергии, подобные этой, которые полагаются только на энергию ветра, как правило, производят меньше электроэнергии, когда их поверхности становятся влажными. Однако исследователи сообщают, что их новое устройство действительно может производить больше электроэнергии во влажных условиях благодаря верхнему слою FEP для сбора энергии из капель дождя.

Основываясь на результатах этого исследования, исследователи полагают, что характеристики их искусственного листа, вероятно, могут быть дополнительно улучшены за счет модификаций конструкции, например, формы электродов и материалов.

«Мы подали заявку на патент на эту технологию и анализируем потенциальные рынки», — говорит Маццолаи. «Тем не менее, перед определением конечного продукта необходимы некоторые исследования — например, мы хотим детально протестировать системы на открытом воздухе и в сильно меняющихся условиях ветра и дождя».