Các nhà nghiên cứu làm việc theo hướng khai thác năng lượng đại dương để cung cấp năng lượng cho các thiết bị
của Alexandra Freibott, Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương
Một máy phát điện nano mới khai thác năng lượng tái tạo của sóng biển mở có thể cung cấp năng lượng cho các đài quan sát và hơn thế nữa ở giữa đại dương.Ảnh: Sara Levine | Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương
Sóng thần, bão và thời tiết hàng hải được theo dõi bằng cảm biến và các thiết bị khác trên nền tảng trong đại dương để giúp giữ an toàn cho các cộng đồng ven biển—cho đến khi pin trên các nền tảng này hết pin. Không có nguồn điện, các cảm biến đại dương không thể thu thập dữ liệu thời tiết và sóng quan trọng, dẫn đến lo ngại về an toàn cho các cộng đồng ven biển dựa vào thông tin thời tiết hàng hải chính xác. Thay pin trên biển cũng đắt. Điều gì sẽ xảy ra nếu tất cả điều này có thể tránh được bằng cách cung cấp năng lượng vô thời hạn cho các thiết bị từ năng lượng của sóng biển?
Các nhà nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) đang nỗ lực biến điều này thành hiện thực với việc phát triển một máy phát điện nano điện ma sát hình trụ mới (TENG)—một nhà máy điện nhỏ chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị trên biển. Các phiên bản lớn hơn của máy phát điện này có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các hệ thống liên lạc và quan sát đại dương, bao gồm đo từ xa bằng âm thanh và vệ tinh.
Daniel Deng, một PNNL giải thích: "TENG có chi phí thấp, nhẹ và có thể chuyển đổi hiệu quả các sóng chậm, đồng đều hoặc ngẫu nhiên thành năng lượng—làm cho chúng đặc biệt phù hợp với các thiết bị cấp nguồn trong đại dương mở, nơi việc giám sát và truy cập gặp nhiều thách thức và tốn kém". đồng nghiệp trong phòng thí nghiệm và đồng phát triển thiết bị TENG mới.
Deng và nhóm của ông đã thực hiện một cách tiếp cận mới để cải tiến TENG hình trụ để sử dụng trên đại dương rộng mở. Máy phát điện nano ma sát hình trụ nhân tần số (FMC-TENG) đang chờ cấp bằng sáng chế của họ sử dụng các nam châm được đặt cẩn thận để chuyển đổi năng lượng hiệu quả hơn so với các TENG hình trụ khác và để biến đổi sóng chậm, đều thành điện năng tốt hơn. Cho đến nay, nguyên mẫu FMC-TENG đã có thể sản xuất đủ điện để cung cấp năng lượng cho một máy phát âm thanh—một loại cảm biến thường được trang bị trên các nền tảng quan sát đại dương có thể được sử dụng để liên lạc. Đây là lượng điện tương đương cần thiết để cung cấp năng lượng cho một bóng đèn LED.
Deng cho biết: “Chúng tôi đang phát triển FMC-TENG để cung cấp năng lượng cho mọi thứ, từ các nền tảng quan sát đại dương với nhiều cảm biến đến liên lạc vệ tinh, tất cả đều sử dụng sức mạnh của đại dương”.
Máy phát điện nano mới, FMC-TENG, khai thác năng lượng tái tạo của sóng biển mở để tạo ra năng lượng. Tín dụng: Sara Levine / Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương
Lông nhân tạo, nam châm và sóng để tạo năng lượng
Nếu bạn đã từng bị giật bởi tĩnh điện, thì bạn đã tự mình trải nghiệm hiệu ứng điện ma sát—hiệu ứng tương tự mà các nhà nghiên cứu sử dụng trong FMC-TENG để tạo ra năng lượng. Một TENG hình trụ được tạo thành từ hai hình trụ lồng vào nhau với hình trụ bên trong quay tự do. Giữa hai xi lanh là các dải lông thú nhân tạo, các điện cực bằng nhôm và một vật liệu tương tự như Teflon có tên là flo etylen propylen (FEP). Khi TENG cuộn dọc theo bề mặt sóng biển, các điện cực nhôm và lông thú nhân tạo trên một xi lanh cọ xát với vật liệu FEP trên xi lanh kia, tạo ra tĩnh điện có thể chuyển hóa thành năng lượng.
TENG hình trụ di chuyển càng nhiều, nó càng tạo ra nhiều năng lượng. Đó là lý do tại sao những con sóng nhanh, thường xuyên có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn những con sóng chậm hơn, đồng đều hơn của đại dương mở. Để tạo ra một TENG có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử trong đại dương rộng mở, Deng và nhóm của ông đã bắt đầu tăng lượng năng lượng sóng được chuyển đổi thành điện năng trong FMC-TENG. Hóa ra, chìa khóa là tạm thời ngăn xi lanh bên trong của FMC-TENG di chuyển.
Trong FMC-TENG, nhóm đã định vị các nam châm để ngăn hình trụ bên trong thiết bị quay cho đến khi nó chạm tới đỉnh sóng, cho phép nó tích tụ ngày càng nhiều thế năng. Gần đến đỉnh sóng, các nam châm được giải phóng và hình trụ bên trong bắt đầu lăn xuống sóng rất nhanh. Chuyển động nhanh hơn tạo ra điện hiệu quả hơn, tạo ra nhiều năng lượng hơn từ sóng chậm hơn.
Một bộ chuyển đổi năng lượng sóng cho đại dương mở
Hiện tại, nguyên mẫu FMC-TENG có thể tạo ra đủ năng lượng để chạy các thiết bị điện tử nhỏ, như cảm biến nhiệt độ và máy phát âm thanh. Khi nhóm lặp lại thiết kế của họ để sử dụng cho mục đích thương mại, FMC-TENG dự kiến sẽ tạo ra đủ năng lượng để chạy toàn bộ nền tảng giám sát đại dương bao gồm nhiều cảm biến và liên lạc vệ tinh. Ngoài ra, FMC-TENG rất nhẹ và có thể được sử dụng trong cả thiết bị nổi tự do và nền tảng neo đậu.
Deng cho biết: “FMC-TENG là duy nhất vì có rất ít bộ chuyển đổi năng lượng sóng hoạt động hiệu quả và có khả năng tạo ra năng lượng đáng kể từ sóng biển tần số thấp. "Loại máy phát điện này có khả năng cung cấp năng lượng cho phao tích hợp với các mảng cảm biến để theo dõi dữ liệu về nước, gió và khí hậu ngoài khơi hoàn toàn bằng cách sử dụng năng lượng đại dương có thể tái tạo." Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nano Energy.
