11 Fév, 2020

Des scientifiques inventent un appareil qui génère de l’électricité à partir de la pluie

Business, Electronique, Energie, Environnement, Informatique, Logiciel, Matériel, NTIC, Technologie

Le nouveau générateur d’électricité à base de gouttelettes : Une goutte d’eau éclaire 100 petites ampoules LED

Une équipe de recherche dirigée par des scientifiques de la City University of Hong Kong (CityU) a récemment mis au point une nouvelle forme de générateur d’électricité à base de gouttelettes (DEG). Il est doté d’une structure de type transistor à effet de champ (FET) qui permet une grande efficacité de conversion de l’énergie, et sa densité de puissance instantanée est multipliée par des milliers par rapport à ses homologues sans structure de type FET.

Cette réalisation révolutionnaire peut contribuer à faire progresser la recherche scientifique sur la production d’énergie à partir de l’eau et à lutter contre la crise énergétique.

Les recherches ont été menées par le professeur Wang Zuankai du département de génie mécanique de la CityU, le professeur Zeng Xiaocheng de l’université du Nebraska-Lincoln et le professeur Wang Zhonglin, directeur fondateur et scientifique en chef de l’Institut de nano-énergie et de nanosystèmes de l’Académie des sciences de Chine à Beijing.

Leurs conclusions ont été publiées dans le dernier numéro de la très prestigieuse revue scientifique Nature sous le titre « A droplet-based electricity generator with high instantaneous power density ».

Un générateur d’énergie conventionnel à base de gouttelettes basé sur l’effet triboélectrique peut générer de l’électricité induite par l’électrification par contact et l’induction électrostatique lorsqu’une gouttelette frappe une surface. Cependant, la quantité de charge générée sur la surface est limitée par l’effet d’interface, et par conséquent, le rendement de conversion énergétique est assez faible.

Afin d’améliorer le rendement de conversion, l’équipe de recherche a passé deux ans à développer le DEG. Sa densité de puissance instantanée peut atteindre jusqu’à 50,1 W/m2, soit des milliers de fois plus que des dispositifs similaires sans l’utilisation d’une conception de type FET. Le rendement de conversion énergétique est également nettement plus élevé.

Le professeur Wang a souligné qu’il y a deux facteurs cruciaux pour l’invention. Tout d’abord, l’équipe a découvert que les gouttelettes continues qui frappent le PTFE, un matériau à électret ayant une charge électrique quasi-permanente, offrent une nouvelle voie pour l’accumulation et le stockage de charges de surface de haute densité. Ils ont découvert que lorsque les gouttelettes d’eau frappent continuellement la surface du PTFE, la charge de surface générée s’accumule et atteint progressivement la saturation. Cette nouvelle découverte a permis de surmonter le goulot d’étranglement de la faible densité de charge rencontré dans les travaux précédents.

Une autre caractéristique clé est un ensemble unique de structures similaires au FET qui a remporté le prix Nobel de physique en 1956 et qui est devenu l’élément de base des dispositifs électroniques modernes. Le dispositif se compose d’une électrode en aluminium et d’une électrode en oxyde d’indium et d’étain (ITO) sur laquelle est déposé un film de PTFE. L’électrode PTFE/ITO est responsable de la génération, du stockage et de l’induction de la charge. Lorsqu’une goutte d’eau qui tombe frappe et se répand sur la surface de PTFE/ITO, elle « relie » naturellement l’électrode d’aluminium et l’électrode de PTFE/ITO, transformant le système original en un circuit électrique en boucle fermée.

Grâce à cette conception spéciale, une haute densité de charge de surface peut être accumulée sur le PTFE par l’impact continu des gouttelettes. Pendant ce temps, lorsque l’eau d’épandage relie les deux électrodes, toutes les charges stockées sur le PTFE peuvent être entièrement libérées pour la production de courant électrique. En conséquence, la densité de puissance instantanée et le rendement de conversion de l’énergie sont beaucoup plus élevés.

« Nos recherches montrent qu’une goutte de 100 microlitres [1 microlitre = un millionième litre] d’eau libérée d’une hauteur de 15 cm peut générer une tension de plus de 140V, et l’énergie générée peut allumer 100 petites lumières LED », a déclaré le professeur Wang.

Le professeur Wang a déclaré qu’il espérait que le résultat de cette recherche aiderait à récolter l’énergie de l’eau pour répondre au problème mondial de la pénurie d’énergie renouvelable. Il pense qu’à long terme, le nouveau design pourrait être appliqué et installé sur différentes surfaces, où le liquide est en contact avec un solide, pour utiliser pleinement l’énergie cinétique basse fréquence de l’eau. Cela peut aller de la surface de la coque d’un ferry à la surface des parapluies ou même à l’intérieur des bouteilles d’eau.

Les professeurs Wang, Zeng et Wang Zhonglin sont les auteurs correspondants de cet article. Les premiers auteurs sont M. Xu Wanghuai, associé de recherche, M. Zheng Huanxi, et le Dr Zhou Xiaofeng, associé de recherche principal, du département de génie mécanique de la CityU, et Mme Liu Yuan, assistante de recherche de troisième cycle, de l’université du Nebraska-Lincoln.

Les autres co-auteurs sont le professeur Ronald Xu de l’Université des sciences et technologies de Chine, le professeur Michael Leung Kwok-hi de l’École de l’énergie et de l’environnement de la CityU, le Dr Yang Zhengbao, professeur adjoint, le Dr Zhang Chao, chercheur postdoctoral, et Song Yuxin du département de génie mécanique, ainsi que le professeur Deng Xu de l’Université des sciences et technologies électroniques de Chine.