Un equipo de investigación dirigido por científicos de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) ha desarrollado recientemente un generador de electricidad basado en gotas (DEG) con una estructura similar a un transistor de efecto de campo (FET) que permite una alta eficiencia de conversión de energía y una densidad de potencia instantánea miles de veces mayor que la de sus homólogos sin tecnología FET.
La investigación fue dirigida por el profesor Wang Zuankai del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Ciudad de U, el profesor Zeng Xiao Cheng de la Universidad de Nebraska-Lincoln y el profesor Wang Zhong Lin, director fundador y científico jefe del Instituto de Nanoenergía de Beijing y Nanosistemas de la Academia de Ciencias de China. Sus hallazgos fueron publicados en la Revista Nature en un estudio titulado «Un generador de electricidad basado en gotas con alta densidad de potencia instantánea».
La eficiencia de la conversión de energía eléctrica mejoró enormemente
Alrededor del 70% de la superficie de la Tierra está cubierta por agua. Sin embargo, la energía cinética de baja frecuencia contenida en las olas, las mareas e incluso las gotas de lluvia no se convierten eficientemente en energía eléctrica debido a las limitaciones de la tecnología actual. Por ejemplo, un generador de energía de gotas convencional basado en el efecto triboeléctrico puede generar electricidad inducida por electrificación de contacto e inducción electrostática cuando una gota golpea una superficie. Sin embargo, la cantidad de cargas generadas en la superficie está limitada por el efecto interfacial y, como resultado, la eficiencia de conversión de energía es bastante baja.
Para mejorar la eficiencia de conversión, el equipo de investigación ha pasado dos años desarrollando un generador de electricidad basado en gotas (droplet-based electricity generator, DEG, por sus siglas en inglés). Su densidad de potencia instantánea puede alcanzar hasta 50.1 W/m2, miles de veces más que otros dispositivos similares sin el uso de un diseño similar a un transistor de efecto de campo (field-effect transistor, FET, por sus siglas en inglés). Y la eficiencia de conversión de energía es notablemente mayor.
Figura 1. La figura A es el diagrama esquemático del generador de electricidad basado en gotas (DEG). La figura B es la imagen óptica que muestra cuatro dispositivos DEG paralelos fabricados en el sustrato de vidrio. Crédito: Universidad de la ciudad de Hong Kong
El profesor Wang de CityU señaló que hay dos factores cruciales para la invención. Primero, el equipo descubrió que las gotas continuas que inciden en PTFE, un material electret con una carga eléctrica casi permanente, proporciona una nueva ruta para la acumulación y el almacenamiento de cargas superficiales de alta densidad. Descubrieron que cuando las gotas de agua golpean continuamente la superficie de PTFE, las cargas superficiales generadas se acumularán y gradualmente alcanzarán una saturación. Este nuevo descubrimiento ayudó a superar el cuello de botella de baja densidad de carga encontrado en trabajos anteriores.
Estructura única tipo transistor de efecto de campo
Otra característica clave de su diseño es un conjunto único de estructuras similares a un FET, el componente básico de los dispositivos electrónicos modernos. El dispositivo consta de un electrodo de aluminio y un electrodo de óxido de indio y estaño (ITO) con una película de PTFE depositada sobre él. El electrodo PTFE / ITO es responsable de la generación de carga, almacenamiento e inducción. Cuando una gota de agua que cae cae y se extiende sobre la superficie de PTFE / ITO, naturalmente «une» el electrodo de aluminio y el electrodo de PTFE / ITO, traduciendo el sistema original en un circuito eléctrico de circuito cerrado.
Con este diseño especial, se puede acumular una alta densidad de cargas superficiales en el PTFE a través del impacto continuo de las gotas. Mientras tanto, cuando el agua que se extiende conecta los dos electrodos, todas las cargas almacenadas en el PTFE pueden liberarse por completo para la generación de corriente eléctrica. Como resultado, tanto la densidad de potencia instantánea como la eficiencia de conversión de energía son mucho más altas.
«Nuestra investigación muestra que una gota de 100 microlitros de agua liberada desde una altura de 15 cm puede generar un voltaje de más de 140V. Y la energía generada puede encender 100 pequeñas bombillas LED», dijo el profesor Wang.
Agregó que el aumento en la densidad de potencia instantánea no es el resultado de energía adicional, sino de la conversión de la energía cinética del agua misma. «La energía cinética implicada en la caída del agua se debe a la gravedad y puede considerarse como gratuita y renovable. Debería utilizarse mejor».
Su investigación también muestra que la reducción de la humedad relativa no afecta la eficiencia de la generación de energía. Además, tanto el agua de lluvia como el agua de mar se pueden usar para generar electricidad.
Facilita la sostenibilidad del mundo
El profesor Wang esperaba que el resultado de esta investigación ayudaría a cosechar energía del agua para responder al problema global de escasez de energía renovable. «Generar energía a partir de las gotas de lluvia en lugar de petróleo y energía nuclear puede facilitar el desarrollo sostenible del mundo», agregó.
Él creía que a largo plazo, el nuevo diseño podría aplicarse e instalarse en diferentes superficies, donde el líquido entra en contacto con el sólido, para aprovechar al máximo la energía cinética de baja frecuencia en el agua. Esto puede variar desde la superficie del casco del ferry, la costa, hasta la superficie de los paraguas o incluso dentro de las botellas de agua.
Noticia de: Tech Xplore / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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