Содержание
Инженеры предложили уникальную технологию выработки энергии из капель воды
City University of Hong Kong/ Nature
Команда ученых, возглавляемая учеными из Городского университета Гонконга, разработала генератор, который производит электричество от падающих капель воды. Достаточно всего одной капли, чтобы заставить генератор произвести энергию, с помощью которой можно зажечь 100 маленьких светодиодных ламп. Устройство открывает совершенно новые способы выработки электроэнергии, сообщают исследователи в журнале Nature.
Устройство состоит из слоя оксида индия и олова (ITO), который покрыт полимерным политетрафторэтиленом (PTFE), более известным как тефлон. Этот электроизоляционный материал представляет собой так называемый электрет, который может накапливать электрические заряды, например, в результате трения. Небольшой кусочек алюминия соединяет оба слоя и служит электродом.
Когда капля воды падает на водоотталкивающую поверхность PTFE/ITO и распространяется по ней, она создает электрический заряд в результате электрохимических взаимодействий.
Причем электроэнергия не теряется после каждой капли, а накапливается. «С увеличением количества капель воды, ударяющихся о поверхность, накапливаются поверхностные заряды с высокой плотностью», — сообщают Цуанкай Ванг, руководитель проекта. — После примерно 16 000 падений поверхностный заряд достигает стабильного значения около 50 нанокулон».
Теперь вступает в игру второй процесс: вода, растекающаяся по поверхности, образует «мостик» между алюминиевым электродом и слоем PTFE/ITO. Это создает замкнутую электрическую цепь, через которую может течь заряд. По своей структуре, объясняют исследователи, система похожа на полевой транзистор, полупроводниковый прибор.
Опыты показали, что одна 100-микролитровая капля водопроводной воды, падающая с высоты 15 см, может генерировать напряжение 140 Вольт и ток 270 микроампер. «Этой электроэнергии достаточно, чтобы засветилась сотня маленьких светодиодов», — говорит Цуанкай Ванг. Генератор на капельной основе, утверждают ученые, в тысячу раз эффективнее, чем предыдущие аналоги.
По словам исследователей, их генератор может использовать не только водопроводную воду, но и морскую, и даже капли дождя. Ученые адаптировали конструкцию для дождевой воды: вода сначала собиралась, а затем распределялась по капиллярам, через которые мерно падали капли. Морскую воду можно дозировать аналогичным образом.
«Регулируя диаметр капилляра и высоту падения капли, мы можем контролировать размер и скорость капель и, следовательно, количество вырабатываемой энергии», — говорят коллеги Ванга.
По словам ученых, эта технология открывает новые возможности для использования энергии воды. «Кинетическая энергия падающей воды обусловлена гравитацией и поэтому может рассматриваться как свободно доступная и возобновляемая. Но ее следует использовать лучше, — говорит Ванг. — Электричество из капель воды вместо нефти или ядерной энергии может способствовать устойчивому развитию мира».
Капельный генератор особенно подходит для децентрализованного производства электроэнергии.
И он может быть установлен везде, где идет дождь или есть вода. Например, на корпусе корабля или на поверхности зонта.
Поделиться:
Наука
Энергетическое образование
1. Гидроэлектрические станции
Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию. Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией — естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию.
ГЭС.
Непосредственно в самом здании гидроэлектростанции располагается все энергетическое оборудование. В зависимости от назначения, оно имеет свое определенное деление. В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно преобразующие энергию тока воды в электрическую энергию.
Есть еще всевозможное дополнительное оборудование, устройства управления и контроля над работой ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое.
Гидроэлектрические станции разделяются в зависимости от вырабатываемой мощности:
- мощные — вырабатывают от 25 МВТ до 250 МВт и выше;
- средние — до 25 МВт;
- малые гидроэлектростанции — до 5 МВт.
Мощность ГЭС напрямую зависит от напора воды, а также от КПД используемого генератора. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции принято брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы гидроэлектростанции.
Гидроэлектростанции также делятся в зависимости от максимального использования напора воды:
- высоконапорные — более 60 м;
- средненапорные — от 25 м;
- низконапорные — от 3 до 25 м.
В зависимости от напора воды, в гидроэлектростанциях применяются различные виды турбин. Для высоконапорных — ковшовые и радиально-осевые турбины с металлическими спиральными камерами. На средненапорных ГЭС устанавливаются поворотнолопастные и радиально-осевые турбины, на низконапорных — поворотнолопастные турбины в железобетонных камерах. Принцип работы всех видов турбин схож — вода, находящаяся под давлением (напор воды) поступает на лопасти турбины, которые начинают вращаться. Механическая энергия, таким образом, передается на гидрогенератор, который и вырабатывает электроэнергию. Турбины различаются некоторыми техническими характеристиками, а также камерами — железными или железобетонными, и рассчитаны на различный напор воды.
Гидроэлектрические станции также разделяются в зависимости от принципа использования природных ресурсов, и, соответственно, образующейся концентрации воды. Здесь можно выделить следующие ГЭС:
— русловые и приплотинные ГЭС.
Это наиболее распространенные виды гидроэлектрических станций. Напор воды в них создается посредством установки плотины, полностью перегораживающей реку, или поднимающей уровень воды в ней на необходимую отметку. Такие гидроэлектростанции строят на многоводных равнинных реках, а также на горных реках, в местах, где русло реки более узкое, сжатое.
— плотинные ГЭС. Строятся при более высоких напорах воды. В этом случае река полностью перегораживается плотиной, а само здание ГЭС располагается за плотиной, в нижней её части. Вода, в этом случае, подводится к турбинам через специальные напорные тоннели, а не непосредственно, как в русловых ГЭС.
— деривационные гидроэлектростанции. Такие электростанции строят в тех местах, где велик уклон реки. Необходимая концентрация воды в ГЭС такого типа создается посредством деривации.
Вода отводится из речного русла через специальные водоотводы. Последние — спрямлены, и их уклон значительно меньший, нежели средний уклон реки. В итоге вода подводится непосредственно к зданию ГЭС. Деривационные ГЭС могут быть разного вида — безнапорные или с напорной деривацией. В случае с напорной деривацией, водовод прокладывается с большим продольным уклоном. В другом случае в начале деривации на реке создается более высокая плотина, и создается водохранилище — такая схема еще называется смешанной деривацией, так как используются оба метода создания необходимой концентрации воды.
— гидроаккумулирующие электростанции. Такие ГАЭС способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию, и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы таких электростанций следующий: в определенные моменты (времена не пиковой нагрузки), агрегаты ГАЭС работают как насосы, и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность, вода из них поступает в напорный трубопровод и, соответственно, приводит в действие дополнительные турбины.
В гидроэлектрические станции, в зависимости от их назначения, также могут входить дополнительные сооружения, такие как шлюзы или судоподъемники, способствующие навигации по водоему, рыбопропускные, водозаборные сооружения, используемые для ирригации и многое другое.
Сегодня в мире идет развитие мини-ГЭС — современной альтернативы самой первой ГЭС, которая была построена в англии для обеспечения электроэнергией частного дома.
Ценность гидроэлектрической станции состоит в том, что для производства электрической энергии, они используют возобновляемые природные ресурсы. Ввиду того, что потребности в дополнительном топливе для ГЭС нет, конечная стоимость получаемой электроэнергии значительно ниже, чем при использовании других видов электростанций.
Гидроэнергетика | Национальное географическое общество
Гидроэлектроэнергия, также называемая гидроэлектроэнергией или гидроэлектроэнергией, представляет собой форму энергии, которая использует силу движущейся воды, например воды, текущей по водопаду, для выработки электроэнергии.
Люди использовали эту силу на протяжении тысячелетий. Более двух тысяч лет назад люди в Греции использовали проточную воду, чтобы вращать колесо своей мельницы, чтобы перемолоть пшеницу в муку.
Как работает гидроэнергетика?
Большинство гидроэлектростанций имеют резервуар с водой, задвижку или клапан для контроля того, сколько воды вытекает из резервуара, а также выпускное отверстие или место, куда вода попадает после того, как стекает вниз. Вода получает потенциальную энергию непосредственно перед тем, как переливается через плотину или стекает с холма. Потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию, когда вода течет вниз по склону. Вода может использоваться для вращения лопастей турбины для выработки электроэнергии, которая распределяется между потребителями электростанции.
Типы гидроэлектростанций
Существует три различных типа гидроэлектростанций, наиболее распространенным из которых является водохранилище.
В водохранилище плотина используется для контроля потока воды, хранящейся в бассейне или резервуаре. Когда требуется больше энергии, вода сбрасывается из плотины. Как только вода высвобождается, сила тяжести берет верх, и вода течет вниз через турбину. Когда лопасти турбины вращаются, они приводят в действие генератор.
Другим типом гидроэлектростанций являются деривационные сооружения. Этот тип завода уникален тем, что не использует плотину. Вместо этого он использует серию каналов для направления проточной речной воды к турбинам, питающим генераторы.
Третий тип установок называется гидроаккумулирующими. Этот завод собирает энергию, полученную от солнечной, ветровой и ядерной энергии, и сохраняет ее для будущего использования. Завод накапливает энергию, перекачивая воду вверх из бассейна на более низкой высоте в резервуар, расположенный на более высокой высоте. Когда есть высокий спрос на электроэнергию, вода, находящаяся в верхнем бассейне, высвобождается. Когда эта вода стекает обратно в нижний резервуар, она вращает турбину, вырабатывая больше электроэнергии.
Насколько широко в мире используется гидроэлектроэнергия?
Гидроэлектроэнергия является наиболее часто используемым возобновляемым источником электроэнергии. Китай является крупнейшим производителем гидроэлектроэнергии. Другие ведущие производители гидроэлектроэнергии в мире включают США, Бразилию, Канаду, Индию и Россию. Приблизительно 71 процент всей возобновляемой электроэнергии, вырабатываемой на Земле, приходится на гидроэнергетику.
Самая большая гидроэлектростанция в мире?
Плотина «Три ущелья» в Китае, сдерживающая течение реки Янцзы, является крупнейшей гидроэлектростанцией в мире с точки зрения производства электроэнергии. Плотина имеет длину 2335 метров (7660 футов) и высоту 185 метров (607 футов) и имеет достаточно генераторов для производства 22 500 мегаватт электроэнергии.
Пресс-релиз: «Фоллингуотер» Фрэнка Ллойда Райта становится солнечным 100% электроэнергии, потребляемой главным и гостевым домами Фоллингуотера, объявила сегодня организация Western Pennsylvania Conservancy.
Расположенная на полуакре существующего открытого поля недалеко от Фоллингуотера в природном заповеднике Беар-Ран при заповеднике, солнечная батарея состоит из 540 отдельных панелей, которые будут ежегодно производить 254 880 киловатт-часов энергии, чтобы компенсировать электроэнергию, поставляемую West Penn Power. . Массив также компенсирует 25% общего потребления электроэнергии объектом.
Переход Fallingwater на чистую возобновляемую энергию стал возможен благодаря грантовому финансированию G.E.T. Пенсильванского солнечного центра. Солнечная инициатива и соглашение о покупке электроэнергии с Ecogy Energy из Бруклина, Нью-Йорк. PECO, электроэнергетическая компания, базирующаяся в Филадельфии, приобрела сертификаты солнечной возобновляемой энергии у Ecogy Energy, чтобы помочь в достижении целей в области возобновляемых источников энергии, установленных Содружеством Пенсильвании. Компания Groundhog Solar из Алтуны, штат Пенсильвания, завершила установку массива в феврале 2022 года.
В ближайшие недели система начнет производить солнечную энергию.
Солнечные панели размером 5×3 фута установлены на закрепленных на земле столбах, что не требует изменения ландшафта или удаления деревьев. Территория вокруг панелей будет по-прежнему сохраняться как луговая среда обитания, привлекающая множество диких животных, включая местные виды, насекомых и опылителей.
Вице-президент Conservancy и директор Fallingwater Джастин Гюнтер говорит, что Fallingwater провел подробный технико-экономический анализ, прежде чем принять решение о солнечной энергии, и этот массив является одним из многих проектов за более чем 20 лет, которые продвигают приверженность Conservancy практикам устойчивого развития.
«Создавая Fallingwater, Райт стремился создать гармоничные отношения между архитектурой и природой. Он был вдохновлен природными особенностями лесного ландшафта для цветов, материалов и мотивов дизайна дома и сориентировал здание так, чтобы использовать естественное освещение и пассивные воздушные потоки», — добавляет Гюнтер.
«Установка солнечных батарей продвигает идеалы Райта и продолжает приверженность Conservancy защите и сохранению этого прекрасного ландшафта и архитектурных принципов, которые делают Fallingwater уникальным. Мы благодарны Ecogy Energy и Groundhog Solar за их партнерство, которое помогает нам делать шаги к более устойчивому будущему с помощью чистой возобновляемой энергии».
Ecogy Energy использовала двусторонние солнечные панели, которые производят энергию с обеих сторон, чтобы максимизировать эффективность и увеличить общее производство солнечной энергии, для строительства массива.
«Участие в проекте организации, занимающейся охраной природы, такой как Western Pennsylvania Conservancy, в таком красивом месте — это, несомненно, честь для Ecogy», — сказал генеральный директор Ecogy Energy Джек Бертуцци. «Fallingwater имеет богатую историю, поэтому возможность поддерживать и активизировать работу объекта с помощью чистой энергии действительно представляет собой интеграцию устойчивых солнечных технологий с архитектурой Райта».
###
О Fallingwater
Охрана природы Западной Пенсильвании (WPC) владеет, управляет и охраняет Fallingwater Фрэнка Ллойда Райта, который является одним из наиболее широко известных произведений известного американского архитектора. Fallingwater был спроектирован Райтом в 1935 году как частная резиденция семьи Кауфманн, владельцев крупнейшего универмага Питтсбурга. Fallingwater лучше всего иллюстрирует философию органической архитектуры Райта: гармоничный союз искусства и природы. Fallingwater был доверен WPC в 1963 и открыт для публики как дом-музей в 1964 году. Он окружен природным заповедником WPC Bear Run, дикой природой площадью 5100 акров с лесами, ручьями и тропами. Фоллингуотер признан национальным историческим памятником и сокровищем Содружества Пенсильвании и был внесен в Список всемирного наследия ЮНЕСКО в 2019 году. Фоллингуотер расположен в Лорел-Хайлендс в Пенсильвании в Милл-Ран, штат Пенсильвания, округ Фейет, примерно в 90 минутах от центра Питтсбурга.
.
О заповеднике Западной Пенсильвании
Охрана природы Западной Пенсильвании (WPC) улучшает регион, защищая и восстанавливая исключительные места. Частная некоммерческая природоохранная организация, основанная в 1932 году, WPC помогла создать 11 государственных парков, сохранила более четверти миллиона акров природных земель, защитила или восстановила более 3000 миль рек и ручьев, а также провела оценку сотен видов диких животных и мест их обитания. Охрана природы владеет и управляет Водопадом Фрэнка Ллойда Райта, который включен в Список всемирного наследия ЮНЕСКО и символизирует людей, живущих в гармонии с природой. Кроме того, WPC обогащает города нашего региона за счет 130 общественных садов и других зеленых насаждений, которые были посажены с помощью более 5000 волонтеров. Работа Conservancy осуществляется при поддержке более 10 000 членов.
Об Ecogy Energy
Компания Ecogy Energy со штаб-квартирой в Нью-Йорке является разработчиком, финансистом и владельцем-оператором ресурсов распределенной генерации.