Pavegen systems

Двигаться по дороге к возобновляемой энергии нужно семимильными шагами. В буквальном смысле. Ученые из Университета Висконсина и Forest Products Laboratory в Мэдисоне считают, что могут использовать механическую энергию человеческих шагов при помощи обычного напольного покрытия. Они предлагают использовать химически обработанные нановолокна целлюлозы в древесной целлюлозе, которые производят электрические заряд, вступая в контакт с необработанными нановолокнами.

«Мы всегда искали доступную масштабируемую технологию, которая сможет эффективно собирать механическую энергию из окружающей среды», говорит Сюйдун Ван, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Университете Висконсина.

После двух лет работы над этой технологией Ванг пришел к трибоэлектрическому наногенератору (ТЭНГ). Трибоэлектричество похоже на явление, которое производит статистическое электричество на одежде.

В случае с ТЭНГом, два различных материала с различными возможностями привлечения электронов устанавливаются в напольное покрытие. Волокна обрабатываются химически, чтобы сделать их более привлекательными для электронов или более отталкивающими. Как только человек ступает на пол, материалы вступают в контакт и обмениваются зарядом. После того как контакт разрывается — нога отрывается от пола — заряд течет обратно через внешнюю цепь.

Пол с ТЭНГом будет наиболее подходящим в районах с высоким пешеходным потоком вроде торговых центров, станций метро или даже спортивных стадионов. Ванг говорит, что стадион, заполненный 80 000 человек, может осветить сам себя всего за один шаг всех этих людей.

Предпринимались и другие попытки, рассматривались другие технологии вроде того, что Ван называет сбором дорожной энергии. К примеру, пьезоэлектрические устройства, собирающие энергию колебаний дорожного движения при помощи пьезоэлектрического кристалла, помещаются чуть ниже поверхности асфальта. Кристалл слегка сгибается, когда дорогу пересекает транспортное средство, вырабатывая электрический ток. Технологию уже использовали в Японии и Израиле. Тем не менее керамические материалы, используемые при изготовлении этого устройства, дорогие и токсичные.

«В трибоэлектрическом концепте выбор материалов намного шире, и мы можем использовать много дешевых, экологически чистых и даже биоразлагаемых материалов», говорит Ван. Он считает, что стоимость включения этой технологии увеличит общие расходы на обустройство полов не больше чем на 20%.

В настоящее время Ван разрабатывает прототип, но считает, что эту технологию можно будет использовать для самых разных видов напольных покрытий, а срок службы системы может потенциально превысить срок службы самого пола.

Инновации с использованием более традиционных возобновляемых источников энергии, например, солнца, прокладывают путь для производства энергии в масштабах целой страны. Многие страны все чаще задумываются о том, чтобы превратить дороги в золото: заставить их собирать солнечный свет, который пойдет на благо жителей.

Считается, что первую солнечную дорогу построили Нидерланды — если точнее, велосипедную дорожку — в 2014 году. Скромная голландская 90-метровая дорожка SolaRoad состоит из бетонных модулей с полупрозрачным верхним слоем из закаленного стекла. Под стеклом располагаются кристаллические кремниевые солнечные элементы. В марте голландская компания объявила о планах на другой проект в Калифорнии.

В начале этого года Франция объявила, что создаст 1000 километров солнечных дорог за следующие пять лет. Этим займется компания Colas со своей солнечной системой Wattway. Colas оценивает, что каждый километр солнечных дорог сможет вырабатывать энергию, необходимую для 5000 человек. Соответственно, общий проект обеспечит электричеством пять миллионов человек.

Дорожное покрытие Wattway состоит из «чрезвычайно устойчивых фотовольтаических панелей, которые могут применяться для всех типов дорог, связанных с электрооборудованием и сетями». Colas утверждает, что Wattway сможет обеспечивать энергией уличное освещение и дорожные знаки и светофоры в городах, поселках и удаленных районах, а также зарядные станции для электрического транспорта.

В США компания Solar Roadways обещает похожее энергетическое решение. Не так давно компания собрала более 2 миллионов долларов на Indiegogo и также получила несколько грантов от Министерства транспорта США. Панели Solar Roadways изготавливаются из закаленного стекла, специально текстурированных, чтобы создавать трение для транспорта и пешеходов, с возможностью выдерживать грузы до 110 000 килограммов. Каждый блок состоит из верхней и нижней стеклянных панелей, между которыми заключены солнечные батареи и светодиоды.

По оценкам Solar Roadways, национальная дорожная система из таких солнечных панелей сможет производить более чем в три раза больше электроэнергии, чем используется в настоящее время в США, и даже обеспечить поставки для всего мира. К сожалению, во время пилотной программы в родном городе Сандпойнт, штат Айдахо, компания столкнулась с проблемами.

Основная проблема выявилась в ламинаторе, который использовался в процессе производства и делал для шестиугольных панелей защиту от погодных условий. Два компонента ламинатора дали сбой и привели к хаосу. Некоторые панели разрушили солнечные батареи, некоторые светодиоды, вывели из строя нагревательные элементы, спасающие их от снега и льда.

Но эти компании хотя бы пытаются сделать первый шаг. Поразительно, что мы до сих пор не научились использовать гигантские площади наших дорог.

К слову, бразильцы не единственные, кто превращает энергию от столь нетрадиционных источников в необходимый всем ток. Как сообщил «РГБ» аналитик департамента технологических исследований компании Frost & Sullivan Ситаншу Шастри, первопроходцем здесь стала британская компания Pavegen, преобразовавшая механическую энергию от шагов человека по тротуару в электрическую, которая используется, например, для работы светофоров. От хаотичных передвижений людей дополнительную энергию получают крупный торговый центр в Лондоне и аэропорт Хитроу. Немецкая компания Micropelt для генерации электроэнергии использует разницу температур, например, дневной и ночной. Американская фирма Voltree Power получает энергию из фотосинтеза деревьев, благодаря которой в местных лесах установлены практически «вечные» датчики, следящие за пожароопасной и экологической обстановкой.

Технология аккумуляции энергии из энергетического «мусора» получила название Energy harvesting (EH), и, считает аналитик, имеет огромный рыночный потенциал, поскольку является ключом к созданию электронных устройств с малым энергопотреблением, не требующих дополнительного обслуживания.

«Развитие ЕН-технологии напрямую связано с перспективными разработками в сфере нанотехнологий, которые дают возможность создания устройств с очень низким энергопотреблением и материалов, способных преобразовать в электричество основные формы энергии — тепловую, механическую и световую, — сообщил «РГБ» гендиректор компании «ПН Энерго» Марат Нуртдинов, — в ближайшем будущем сферами основного применения ЕН-технологии станут системы автоматизации и мониторинга. Речь идет о необслуживаемых беспроводных устройствах и различных датчиках с собственным источником питания. На промышленных объектах, где нельзя отслеживать параметры давления, температуры и т.д. из-за невозможности прокладки кабеля для питания и получения информации от датчиков, это может привести к неточностям в прогнозировании аварийных ситуаций на раннем этапе. ЕН-технология приблизит прогнозы к 100%, тем самым повысит эффективность предприятия. В быту, с учетом растущей роли гаджетов и мобильных устройств, ЕН позволит избавить «зависимость» человека от стационарных источников электропитания».

По мнению Ситаншу Шастри, ЕН-технология и девайсы на ее основе могут применяться практически во всех сферах. Например, термоэлектрический сбор энергии используется многими OEM-автопроизводителями для выработки электричества от тепла, исходящего от двигателя, после того, как машина хорошо прогрелась. Довольно много тепла генерируется от авиационных шасси и тормозов при посадке — это тоже дополнительный источник энергии, который пока греет воздух. Беспроводные датчики в самолетах могут работать от вибрации крыльев лайнера и его турбин. При строительстве современных «умных» домов термоэлектрическую энергию отопительных котлов необходимо преобразовывать в источник питания для различных датчиков.

Не стоит сбрасывать со счетов и медицину: ведь тепло человеческого тела само по себе может быть источником энергии для датчиков, контролирующих, допустим, температуру, артериальное давление и частоту пульса у «тяжелых» или лежачих пациентов. Кстати, за рубежом уже испытываются кардиостимуляторы, работающие от температуры своего хозяина.

Все это, конечно, замечательно, но станут ли ЕН-технологии внедряться повсеместно? Ясно ведь и другое — как дополнительный источник энергии ЕН-девайсы хороши, но традиционные источники они еще долго — а может и вообще никогда — не смогут заменить. «КПД таких устройств пока невысок. От процесса преобразования до процесса потребления теряется примерно 60-70% энергии. Однако если учесть, что энергия ЕН-устройств является все же бесплатным побочным продуктом технологического процесса, то такой показатель выглядит неплохо. Использование ЕН-устройств при сборе побочной энергии позволит повысить КПД всего процесса в целом примерно на 10%, что, конечно же, скажется на улучшении удельного показателя на выпуск продукции», — сообщил «РГБ» замгендиректора компании «ГПБ-Энергоэффект» Анатолий Велентеенко.

«Сейчас серьезным препятствием для распространения технологии EH является ее высокая начальная стоимость, — считает Ситаншу Шастри, — EH-решения обеспечивают окупаемость в течение пяти-восьми лет, однако конечных пользователей зачастую сложно убедить в том, какую выгоду это им даст. Кроме того, пользователи невольно сравнивают EH-решения с более дешевыми традиционными аккумуляторами. Однако несмотря на трудности, несколько продуктов были успешно коммерциализированы, и сегодня устройства на базе EH уже появились в продаже. Снижение стоимости технологий хранения энергии для EH, таких как тонкопленочные батареи и суперконденсаторы, сделает эти устройства еще более популярными».

По словам эксперта Frost & Sullivan, рынок ЕН-устройств к 2022 году может подрасти до 4,94 млрд долл. с нынешних 1,057 млрд. К тому времени, вероятно, появятся и новые источники энергии для них.

15 лет теперь кажется отличным возрастом для изобретений и создания стартапов — недавно подросток придумал стетоскоп для iPhone, а теперь его ровесник — кроссовки, которые заряжают устройства на ходу.

Обувь вырабатывает электричество благодаря шагам — в стельки встроены генераторы, состоящие из двух физио-электрических дисков. Когда обладатель кроссовок идет, бежит, прыгает или оказывает какое-либо другое давление на диски, те вырабатывают энергию, которую можно использовать для зарядки телефонов, фонариков, радио и любых USB-устройств.

Юного создателя зовут Ангело Касимиро, и живет он в Филиппинах, что отчасти натолкнуло его на это изобретение. Уровень бедности в стране довольно высок и не все могут пользоваться благами цивилизации в виде электричества, а такой способ мог бы в перспективе решить проблему с дешевой энергией.

Касимиро также считает, что устройство полюбится заядлым путешественникам и любителям экстремальных способов изучения окружающей природы. Допустим, вы потерялись в каких-нибудь каньонах, а все устройства связи как назло разрядились. Но так как Касимиро планирует вшить в чудо-кроссовки GPS-передатчик, вы, наученные горьким опытом фильма «127 часов», сможете нажать кнопочку и ваши близкие получат сигнал и начнут вас искать.

Макет SolePower

К сожалению, пока у прототипа есть существенный недостаток — эффективность заряда. Для того, чтобы полностью зарядить литий-ионную батарею, нужно восемь часов бегать без остановки, а два часа игры в баскетбол хватит примерно на 10%. Похожие самозаряжающиеся ботинки мы уже могли видеть в проекте SolePower на Kickstarter, и они были более действенными — смартфон можно было зарядить полностью, пройдя пешком две с половиной мили.

Тем не менее, для 15-летнего школьника разработка очень впечатляющая — энтузиазм и возобновляемая энергия подтолкнули Касимиро к участию в Google Science Fair 2014, результаты которой будут объявлены 26 июня.

Pavegen systems

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *