Flytande vattengeneratorer omvandlar regn till förnybar energi

Efterfrågan på energi ökar snabbt. År 2024, denna värld registrerade en ökning på 4,3 % i elförbrukning. Det var en mycket större ökning än den 2,5 % topp som registrerades året innan, vilket var nära det genomsnittliga takten för elefterfrågeökning mellan 2010 och 2023.

Denna tillväxt drivs främst av den massiva ökningen av datacenter på grund av explosionen av AI‑adoption och elbilar, samt industriell expansion och ökad användning av luftkonditionering som också bidrar avsevärt.

Medan fossila bränslen utgjorde mer än hälften (nästan 60 %) av elproduktionen förra året, med kol som den största källan i världen, energi­mixen är faktiskt i förändring. Enligt IEA, för första gången någonsin, stod elproduktion från förnybara energikällor och kärnkraft för två femtedelar av den totala globala produktionen 2024. 

Förnybara energikällor stod särskilt för en tredjedel av världens elproduktion. Bland förnybara källor leder vattenkraft med 14 % av den totala elproduktionen, följt av vind med 8 %, sol‑PV med 7 % och bioenergi samt avfall med endast 3 %.

Även om det är en stor utveckling mot ren energi, är förnybara energiers bidrag till den globala energiproduktionen fortfarande lågt. Så, för att ytterligare hjälpa påskynda detta skifte till förnybara energikällor, har forskare skapat nya teknologier för energikonvertering för att möta den ökande efterfrågan på daglig elektrisk energi förbrukning. 

System som samlar energi direkt från miljön, i synnerhet, kan hjälpa att öka användningen av förnybara energikällor.

Hydrovoltaics: Omvandla regn- och vattenkretslopp till elektricitet

Vatten är en kritisk livsnödvändighet. Inte bara utgör det en stor del av vår kropp, utan det utgör också en stor del av jorden. Med 70 % av vår planet är vatten den mest abundanta resursen, och det innehåller en betydande mängd energi i olika former, varav mycket fortfarande är kraftigt underutnyttjad.

Ett av sätten som denna energi utnyttjas är genom vattenkraft, vilket innebär att använda det naturliga flödet av rörligt vatten för att generera elektricitet.

Ett annat kraftfullt sätt att samla energi från vattnets naturliga kretslopp är genom hydrovoltaisk teknik. Till skillnad från traditionella teknologier, som samlar vattenens kinetiska energi, genererar hydrovoltaisk teknik elektricitet från den direkta interaktionen mellan ett elektrodmaterial och vatten. 

Den hydrovoltaiska tekniken möjliggör utvecklingen av låga kostnads- och hög‑effektiva system som kan direkt omvandla termisk energi till elektrisk energi genom interaktionen mellan vatten och nanomaterial såsom grafen, kolnanorör, kolnanopartiklar och ledande polymerer.

Energin som omvandlas här genereras av dropp, flöde, svängning, kondensation eller avdunstning, och ökar avsevärt uteffekten. Forskning visar¹ att genom att använda endast 1 % av den tillgängliga energin i världens vatten med en blygsam verkningsgrad på 1 % via hydrovoltaisk teknik kan vi möta 1/3 av världens energibehov.

Därför är enheter baserade på denna utvecklande teknik avgörande för att tillfredsställa efterfrågan i den energikrävande världen med förnybara energikällor.

Detta har lett till omfattande forskning på droppenergigeneratorer, en typ av hydrovoltaisk teknik som omvandlar den mekaniska energin i vattendroppar som regndroppar till elektricitet. Men begränsningar i nuvarande teknik har hindrat en effektiv omvandling av den energi som finns i vatten till elektrisk energi.

Till exempel kan en traditionell droppenergigenerator baserad på triboelektrisk effekt, som genererar en elektrisk laddning när två olika material kommer i kontakt och sedan separeras, producera elektricitet när en dropp slår mot en yta. Dock begränsar den interfaciala effekten antalet laddningar som genereras på ytan, vilket resulterar i relativt låg energikonverteringseffektivitet.

Så har ett forskarteam utvecklat en ny ”vattenintegrerad droppelektricitetsgenerator” som producerar hög uteffekt medan den flyter på ytor, vilket ger en inblick i nästa generation av lättviktiga, högpresterande enheter. Enligt studien:

“Vi förutspår att detta arbete kommer att öppna en ny väg för att utnyttja vattenliknande naturliga material för att konstruera hydrovoltaiska enheter och främja markfria storskaliga tillämpningar.”

Men innan vi dyker ner i denna forskning, låt oss först titta på vad som har hänt inom detta område.

Den senaste utvecklingen inom dropp‑elektricitetsgeneratorer (DEG)

Rörliga vattendroppar som regndroppar är vanliga och bär med sig en betydande mängd kinetisk energi, vilket visar löfte för hållbar elproduktion. För att samla den kinetiska energin från vattendroppar har forskare fokuserat sina ansträngningar på DEG.

Droppbaserad elgenerator (DEG) är en kraftfull teknik och har visat löfte som ett effektivt sätt att samla energi från den naturliga miljön. 

Den utnyttjar fallande vattendroppar för att generera elektricitet. Vanligtvis består den av två triboelektriska lager och ett par elektroder, där laddningar separeras när en vattendropp träffar ytan och sedan glider av. 

Den låga kostnaden, enkla strukturen och höga effekt­densiteten hos DEG har gjort dem populära bland forskare för att samla kinetisk energi från miljömässiga vattenkällor. 

Dock, dess breda tillämpning hämmas av den komplexa strukturen och låga uteffekt‑densiteten. Deras tillämpning är begränsad till landbaserad användning, vilket också gör dem opraktiska för sjöar, floder och hav.

Andra utmaningar med DEG inkluderar betydande prestandaförsämring över tid i integrerade system, materialhållbarhetsproblem och det stora utrymmesbehov som krävs för storskaliga tillämpningar.

Swipe to scroll →

Forskning pågår med fokus på att förbättra effektiviteten genom bättre designer, använda naturligt vatten som en del av strukturen eller optimera material, där senaste innovationerna skapar lättviktiga, kostnadseffektiva och till och med flytande enheter. 

För några år sedan utvecklade ett forskarteam från City University of Hong Kong (CityU) utvecklade² en DEG med en fälteffekttransistor (FET)-liknande struktur som uppnådde hög energikonverteringseffektivitet. Dess omedelbara effekt­densitet var mycket högre, omkring tusentals gånger högre, än dess motsvarigheter utan en FET‑liknande struktur. 

Deras arbete hade två nyckelfaktorer; en var teamets fynd att när kontinuerliga vattendroppar slår mot ytan av polytetrafluoretylen (PTFE), ett dielektriskt material med en nästan permanent elektrisk laddning, ackumuleras ytladdningarna och når gradvis mättnad. Detta hjälpte teamet att övervinna den tidigare låga laddningstätheten genom att erbjuda ett nytt sätt att samla och lagra högdensitetsytladdningar.

Den andra faktorn var deras design, vars nyckelfunktion var en unik uppsättning strukturer liknande en FET. Enheten består av en aluminium‑elektrod och en PTFE/ITO‑elektrod, vilket innebär en indium‑tin‑oxid (ITO) elektrod med ett PTFE‑film pålagt. När en dropp slår mot PTFE/ITO‑ytan och sprider sig över den, brygger den båda elektroderna, vilket omvandlar systemet till en sluten elektrisk krets.

Designen möjliggjorde att en hög densitet av ytladdningar samlas på PTFE. Och när det spridande vattnet förbinder de två elektroderna, släpps lagrade laddningar på PTFE fullt ut för att producera en elektrisk ström.

Medan CityU:s design fokuserade på att öka laddningsansamlingen, förenklade ett annat team från Kinesiska akademien för vetenskaper DEG:s arkitektur för att göra den mer skalbar.

Det kinesiska forskarteamet föreslog³ en DEG med en enkel öppen struktur för att fullt utnyttja självkapacitans‑effekten hos den övre elektroden för att främja dess bredare tillämpning.

Problemet är att det är svårt att kontinuerligt förse den elektriska utrustningen med energi via en enda eller flera DEG. 

Som teamet noterade, när man samlar in storskalig regndroppsenergi i sluttande byggnader som skjul, är ett enkelt sätt att koppla alla DEG i parallell för att leverera kraft till lasten, som en glödlampa. Så, med hänvisning till solpanelens cellstruktur och genom att fullt utnyttja den övre elektrodernas självkapacitans‑effekt, introducerade de SCE‑DEG med en enkel öppen struktur, som huvudsakligen består av en övre och en nedre elektrod, PTFE‑film och en last.

Elektroderna här behöver inte anslutas till varandra, men hög omedelbar uteffekt kan fortfarande uppnås genom den övre elektrodernas självkapacitans‑effekt, vilket gör strukturen mycket enklare och mer praktisk för storskalig spridning.

När den testades kunde den producera 212 mW uteffekt med en 61 µL vattendropp och kan lysa upp 100 kommersiella LED‑lampor.

Senast har forskare från KTH Royal Institute of Technology, Sverige, anpassade de nedre elektroderna i DEG⁴ för att göra deras area jämförbar med spridningsytan för de träffande vattendropparna, vilket fördubblade den genomsnittliga uteffekten för enskilda celler.

Teamet tillverkade också storskaliga (30‑celliga) arrayer som uppnådde cirka 2,5 gånger högre effekt än de mest avancerade arrayerna. Dessutom integrerade de en storskalig (400‑cellig) mikro‑superkondensator‑array för att lagra den elektricitet som genererades av den 30‑celliga generator‑arrayen med 21,8 % effektivitet, utan att använda någon strömhanteringschip.

Denna integration skapar ett självuppladdande kraftsystem (SCPS) med en uteffekt på 81,2 µW. 

Efter att den 30‑celliga DEG‑arrayen laddat den 400‑celliga MSC‑arrayen i endast 30 sekunder, kan det integrerade SCPS leverera ström till en LED så att den fungerar kontinuerligt i 60 sekunder, “tyder på löftet med strategin att integrera storskaliga DEG‑arrayer med storskaliga ultrarapida MSC‑arrayer för att bygga SCPS för hög‑effektiv energisamling från naturligt vatten mot praktiska tillämpningar.”

Floating W-DEG: En lättviktig, kostnadseffektiv väg till regnkraft

Nu har forskare från den Nanjing University of Aeronautics and Astronautics utvecklat en ny lösning, en flytande DEG som använder naturligt vatten som en nyckel del av sin struktur, således ger en lättviktig, prisvärd, och miljövänlig väg till förnybar energiproduktion.

Istället för att ha en dielektrisk film på en stel bas med en metall‑elektrod under, har den nya designen vattnet som både stödjande bas och ledande elektrod. Detta tillvägagångssätt, topp‑elektrod‑dielektrik‑vatten‑arkitektur, minskar både materialvikt och kostnad med 87 % respektive 50 %, jämfört med äldre modeller, samtidigt som den behåller en liknande nivå av elektrisk uteffekt och visar stor hållbarhet i olika arbetsmiljöer. 

Publicerad i National Science Review⁵, beskriver studien den ‘natur‑integrerade’ designvägen som har lett till utvecklingen av en ny vatten‑integrerad flytande DEG (W‑DEG) som utnyttjar vattnets elektriska och strukturella funktioner.  

Så fungerar den: när regndroppar, en färsk vattenkälla som bär oanvänd energi, landar på den flytande dielektriska ytan, svarar en film av fluorerad etylenpropen (FEP) omedelbart. Eftersom den är kemiskt inert, motstår den tunna FEP‑filmen extrema temperaturvariationer, korrosion samt tillväxt av alger och bakterier.

När droppen sprider sig, skapar den en ström av joner, vilket orsakar en laddningstransfer mellan den övre regionen och den nedre regionen, vilket genererar en mycket liten mängd elektricitet. Ytan återställs när droppen studsar.

Vattnets naturliga egenskaper ger den mekaniska stabilitet som krävs för att absorbera påverkan och låta dropparna sprida sig effektivt, utan att böja eller bryta. 

Dessa naturliga egenskaper inkluderar stark ytspänning och inkompressibilitet. Vatten anses nästan inkompressibelt, vilket betyder att det inte komprimeras mycket under tryck. Samtidigt skapar den starka kohesionen mellan vattenmolekyler, orsakad av vätebindningar, en stark ytspänning.

Jonerna i vattnet fungerar samtidigt som laddningsbärare, vilket gör att det kan fungera som en pålitlig elektrod. 

Tillsammans möjliggör dessa egenskaper att den flytande generatorn kan generera toppspänningar på cirka 250 volt per dropp, på samma nivå som prestandan hos traditionella styva designer som använder metall.

Designen är också hållbar, med tester som visar att generatorn behöll prestanda under varierande förhållanden, inklusive olika saltkoncentrationer (upp till 500 millimolär natriumklorid), temperaturer, och även exponering för utomhus sjövatten med biofouling —ett betydande problem för marina enheter.

Medan många energienheter försämras i hårda miljöer fortsätter den flytande generatorn att fungera stabilt på grund av den vattenbaserade strukturens motståndskraft och den dielektriska lagrets kemiska inerthet.

När den testades i starkt saltat vatten, behöll generatorn sin funktionalitet efter en vecka av drift. Och om skräp samlas på den, återställer enkel rengöring den till maximal prestanda.

För att ytterligare öka stabiliteten utnyttjade teamet den höga ytspänningen i vatten för att designa dräneringshål som låter vatten passera nedåt i endast en riktning. Så, genom att använda gravitation och ytspänning, kan teamet minska ansamlingen av föroreningar och hålla den ren, således skapa ett självreglerande system för att avlägsna eventuella överskottsdroppar. På så sätt undviks vattenansamling, vilket annars skulle kunna minska uteffekten.

En annan viktig aspekt av den flytande W‑DEG är skalbarhet. Med en storlek på 0,3 kvadratmeter, visade forskarna upp en mycket större droppgenerator än tidigare rapporterade modeller. Med varje av dessa generatorer producerar ~250 volt per dropp, kan de driva 50 LED‑lampor samtidigt.

Dessutom kunde systemet ladda kondensatorer till användbara spänningar på några minuter. Teamet testade 10 W‑DEG‑enheter och producerade simulerat regn med 120 konstgjorda regndroppare, sedan laddade kondensatorn till tre volt, vilket demonstrerar dess potential att driva trådlösa sensorer och liten elektronik. 

Med vidare utveckling, kan dessa system användas för att samla förnybar elektricitet från sjöar, reservoarer eller kustområden utan att ockupera värdefulla mark resurser.

“Genom att låta vattnet självt spela både strukturella och elektriska roller har vi låst upp en ny strategi för dropp‑elektricitetsgenerering som är lättviktig, kostnadseffektiv och skalbar,” sade studiens medförfattare, professor Wanlin Guo. “Detta öppnar dörren till markfria hydrovoltaiska system som kan komplettera andra förnybara teknologier som sol och vind.”

I regioner som upplever frekvent nederbörd, kan den flytande dropp‑elektricitetsgeneratorn erbjuda en distribuerad energilösning som driver off‑grid‑applikationer eller kompletterar lokala nät. 

Jämfört med en traditionell droppgenerator, som kostar cirka 210 yuan (ca $29,50) per kvadratmeter och väger över fyra kilogram (ca 8,818 pund), kostar teamets flytande version cirka 106 yuan (mindre än $15) och väger endast 0,5 kilogram (1,1 pund).

Förutom regnvatteninsamling, kan enheten ha andra tillämpningar tack vare dess funktion att naturligt flyta på vattenytor. Till exempel kan den placeras i olika akvatiska miljöer för att driva miljöövervakningssystem som sensorer som spårar föroreningar, vattenkvalitet eller salthalt. 

Dess ‘natur‑integrerade design,’ där det naturligt rikliga materialet används som en funktionell komponent, kan också inspirera nya tillvägagångssätt inom ekobaserade teknologier.

Men innan enheten kan distribueras i stor skala, finns det utmaningar som först måste lösas. Den varierande storleken och hastigheten hos faktiska regndroppar innebär att prestandan hos enheten kan påverkas. Dessutom krävs ytterligare ingenjörsarbete för att säkerställa robusthet och hållbarhet hos stora dielektriska filmer i dynamiska utomhusförhållanden. 

Trots dessa utmaningar har laboratorieresultaten varit lovande, och demonstrationen av en effektiv, hållbar och skalbar prototyp markerar ett viktigt steg mot praktiska tillämpningar av vatten‑integrerad flytande DEG (W‑DEG).

Investera i vattenuppsamlings‑teknik

Xylem (XYL ) är ett globalt vatten‑teknikföretag fokuserat på smart vattenhantering, involverat i integration av sensorer, övervakning och vattenflödesystem.

Dess Water Infrastructure-segment erbjuder produkter som behandlingsutrustning, vatten, avloppsvatten och stormvatten pumpar och styrsystem. The Applied Water-segment omfattar produkter inklusive pumpar, ventiler, värmeväxlare och dispenseringsutrustning, medan dess Measurement & Control Solutions (MCS)-segment bygger avancerade lösningar för intelligent användning av kritiska resurser, såväl som analytisk instrumentering för vattentestning. The Integrated Solutions & Services-segment tillhandahåller utrustningssystem för industrier och kommuner.

Xylem utnyttjar också AI för att övervaka vattenflöde och upptäcka läckor i realtid. Detta gör att problem kan upptäckas i tid och sedan snabbt åtgärdas, vilket sparar vatten och minskar kostnaderna.