Кое-что из новостей энергетики

Описанное в журнале Nano Letters изобретение специалистов технологического университета штата Джорджия (США) способно выдать до 11 милливатт с кубического сантиметра. Сотовый телефон, для сравнения, потребляет в режиме разговора около ватта, а плеер при воспроизведении музыки – порядка двухста милливатт. Вмонтировав зарядное устройство в подошву ботинка или примотав к раме велосипеда, можно будет избавиться от необходимости заряжать аккумуляторы.
Электричество экспериментальное устройство вырабатывает за счет пьезоэффекта, возникающего при деформации лент, покрытых нанопроволоками из оксида цинка.

Идея использовать энергию движения человеческого тела или вибрации едущего автомобиля для работы каких-либо устройств – далеко не нова. Часы с автоподзаводом научились делать задолго до появления электронных схем, а зажигалки с пьезоэлементом, выдающие искру при нажатии на кнопку, встречаются повсеместно. В чем новизна разработки ученых?

Во-первых, в материале. Тончайшие проволоки из оксида цинка обладают полупроводниковыми свойствами и вызывают повышенный интерес у физиков по всему миру – из них, например, недавно сделали запоминающую ячейку для флеш-памяти. Если какой материал исследуют в области наноструктур активнее, то разве что графен и углеродные нанотрубки!

Во-вторых, в мощности. За несколько лет удалось пройти путь от идеи и первых образцов (ток от которых можно было только зарегистрировать измерительными приборами) до прототипа размером 1,5х2 см, которого уже оказалось достаточно для работы взятого из калькулятора жидкокристаллического дисплея.
Будущие зарядные устройства смогут быть компактными и гибкими – что выгодно отличает их от тяжелых механизмов автоподзавода для механических часов. Более того, исследователи разработали метод производства пьезоэлементов на основе еще одного материала, цирконата-титаната свинца.
Особенный интерес разработка представляет даже не для производителей гаджетов (аккумуляторы со временем наращивают емкость, так что восемь часов работы не предел даже для иного нетбука), сколько для разработчиков медицинского оборудования. Вживляемому кардиостимулятору заменить севшую батарею можно только сделав хирургическую операцию и по этой причине в ранних моделях даже использовались ядерные элементы питания с плутонием! Пьезоэлементы же смогут работать, используя колебания грудной клетки при дыхании: пока пациент дышит, его кардиостимулятор всегда сможет подзарядить свои аккумуляторы.

Сборка батареи велась внутри просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) в Центре комплексных нанотехнологий Министерства энергетики, которым Sandia управляет совместно с Лос-Аламосской национальной лабораторией.
Анод изготовлен из оксида олова. Его диаметр составляет 100 нм, а длина — 10 мкм. Катод в 3 мм длиной из оксида кобальта выглядит на его фоне чудовищем из другого мира. Не обошлось без электролита в виде ионной жидкости. Устройство позволяет непосредственно наблюдать изменения атомной структуры во время зарядки и разрядки.

Из-за высокого уровня шума, генерируемого измерительными приборами, измерить силу тока не удалось. По оценкам ученых, она составила 1 пикоампер.

Это, разумеется, слишком мало, чтобы заставить работать электронные гаджеты, однако данная разработка станет прототипом для принципиально новых сверхкомпактных источников питания.

В процессе работы над аккумулятором неожиданно выяснилось, что нановолокно из оксида олова почти удваивается в длину во время зарядки — гораздо больше, чем в диаметре. Этот факт поможет избежать короткого замыкания и продлить срок службы батареи. Ранее повсеместно считалось, что колебания испытывает в первую очередь диаметр.

По словам руководителя группы разработчиков Цзяньюя Хуана, эксперимент затеян ради исследования процессов зарядки и разрядки аккумулятора в режиме реального времени и в атомном масштабе в целях понимания фундаментальных принципов работы батарей.

Последнее имеет большое практическое значение, ибо ионно-литиевые батареи на основе нанопроволоки предлагают новые возможности для повышения мощности и плотности энергии по сравнению с более объёмными электродами. Соответственно, более строгое изучение их операционных свойств должно привести к появлению новых поколений электромобилей, ноутбуков, мобильных телефонов и проч.

Наноматериалы уже активно используются в качестве анодов, но в массиве, а не индивидуально. По мнению ученых, это все равно что, глядя на лес, пытаться понять особенности отдельных деревьев.

Нынешние базовые станции GSM/3G, как правило, используют три антенны с сектором охвата 120 градусов каждая. Однако это приводит к тому, что значительная часть энергии излучается в направлениях, в которых в текущий момент нет активных абонентов.

Исследователи предлагают использовать 16 антенн с зоной охвата 22,5 градуса. Фактически речь идет об узконаправленной передаче сигналов и отслеживании изменения местоположения пользователя. Для обслуживания одного абонента необходимы две антенны; при этом, передавая сигналы на разных частотах, одна и та же пара антенн может поддерживать разговор для нескольких пользователей.

Тестовые испытания показали, что предложенная конструкция позволяет снизить потребление энергии в 16 раз по сравнению с базовыми станциями, имеющими три антенны. Дальнейшее удвоение количества антенн теоретически позволит вдвое уменьшать расходуемую энергию.

Ученые подсчитали, что если все базовые станции мира будут использовать предложенную конструкцию, то расход энергии сократится до пяти гигаватт. Однако пока существуют сложности с написанием программного обеспечения, необходимого для поддержания устойчивой связи при перемещении абонентов. О возможных сроках практической реализации идеи не сообщается

Пока проектировщики всего мира пытаются измыслить здания, которые потребляли бы как можно меньше электричества, немецкий министр одной ногой уже шагнул в будущее. Глава Министерства по строительству ФРГ Петер Рамзауэр инициировал постройку жилого дома, который сможет производить вдвое больше электричества, чем потребляют его обитатели. Вся “лишняя” энергия будет накапливаться в специальных батареях-аккумуляторах, для того, чтобы жильцы дома могли “заряжать” от розетки небольшие автомобили с электродвигателем.

Многие автопроизводители уже проявили интерес к этому проекту и сигнализировали о своей готовности объединить бренды, сообщает Immobilien Zeitung. Комбинация авто+дом представляется немцам вполне окупаемой, поскольку на долю транспорта и жилого фонда страны в общей сложности приходится порядка 70% от общего объема всей потребляемой электроэнергии в Германии. Последние распоряжения правительства Евросоюза в области повышения эффективного расходования электроэнергии направлены на то, чтобы до 2020 года добиться «нулевого» потребления энергии зданиями. Иными словами, здания в странах ЕС должны потреблять ровно столько энергии, сколько может быть произведено с использованием возобновляемых природных ресурсов.

В конце 2010 инженер Вернер Зобек из Университета Штутгарта выиграл конкурс Минстроительства ФРГ на лучший проект частного жилого дома. Проект уже подписан министром, стоимость возведения пробного образца «дома-заправки» составила 3 млн евро. Осенью 2011 на суд министра будет представлен уже второй экземпляр, а первый дом, правда пока без электромобиля перед дверью, начнут возить по всей Германии, демонстрируя немецким бюргерам новую диковинку. До 31 марта 2011 туристы и жители страны могут полюбоваться на нее в Ганновере.

Солнечные батареи на крыше дома будут производить достаточное количество электроэнергии, а несколько слоев остекления окон, инновационная архитектура, особенная планировка и техника строительства позаботятся об экономии. Общая площадь дома, рассчитанного на проживание одного семейства, составляет 130 кв. м, построен он будет в берлинском районе Шарлоттенбург, как раз напротив Федеральной государственной службы по строительству и землепользованию. В течение двух лет новый дом будет проходить тестирование. После трёх месяцев первичной проверки в 2012 году туда на целый год въедет семья добровольцев из четырёх человек. Помимо рачительного отношения к расходу электроэнергии, новый дом может похвастаться легкостью в обслуживании, уборке, ремонте и поддержании общего технического состояния, а также тем, что все материалы, из которых он изготовлен, могут быть переработаны заново.

Важным отличием технологии mobile-H2 является способность использовать практически любую воду в качестве исходного материала. В отличие от солнечных батарей, вам не придется волноваться из-за пасмурной погоды – заряжать батареи от воды можно даже ночью. По заверениям производителя, картриджи с топливными элементами вырабатывают одинаковый уровень мощности на протяжении всего цикла переработки воды в водород и в электроэнергию.

Заявление компании SiGNa звучит слишком невероятно, но вообще в устройстве используются вполне традиционные химические реакции. Модуль переработки воды в водород построен на сочетании натрия и кремния в форме силицида натрия (NaSi). Обычно натрий бурно реагирует с водой, выделяя водород в газообразной форме. Химикам компании SiGNa удалось снизить скорость реакции натрия с водой до безопасного уровня. Более того, такой генератор водорода для топливных элементов может работать практически при любой температуре, если вода будет жидкой.

Сейчас компания SiGNa не раскрывает подробности своего процесса по синтезу силицида натрия. Тем не менее, по публикациям руководителя компании SiGNa и его коллег можно узнать, что они уже получали силицид натрия путем абсорбирования натрия в кремний, покрывая массово выпускаемый материал силикагель жидким натрий-калиевым сплавом. В результате такого процесса получается черный порошок, состоящий из силицида натрия, а для повышенной стабильности материал должен пройти дополнительную термоообработку.

Вероятно, для создания своего картриджа компания SiGNa использует похожий процесс. Получаемый материал NaSi демонстрирует долговременную стабильность на открытом воздухе (более двух лет) и контролируемую реакцию с водой.

Когда в картридж SiGNa из силицида натрия поступает вода, начинается генерация газообразного водорода (H2) с низким давлением. Далее недорогой топливный элемент, близкий по конструкции к таким серийным образцам, как Powertrekk компании myFC, превращает водород в электричество для зарядки аккумуляторов. Другими продуктами реакции являются тепло и силикат натрия, который является обычным компонентом в клеящих веществах, в текстильной и автомобильной промышленности, а также в других материалах. Вырабатываемое тепло можно собирать и использовать для других процессов генерации электричества, так что будущие серийные источники тока SiGNa вряд ли будут слишком горячими, чтобы носить их с собой в кармане во время их работы.

Производители устройства утверждают, что в каждый мусорный бак Big Belly Bins, несмотря на его достаточно компактные габариты, может поместиться до 800 литров бытовых отходов. Благодаря упомянутым выше механизмам уплотнения отходов, такие контейнеры можно опустошать гораздо реже. Эти механизмы сконструированы без использования гидравлических компонентов, в качестве источника питания им достаточно стандартной 12-вольтной батарейки. В предлагаемом решении вместо аккумулятора используются солнечные батареи.

Отдельного упоминания заслуживает еще одна особенность высокотехнологичного мусорного контейнера. Благодаря совместимости со стандартными SIM-картами, Big Belly Bins поддерживает коммуникации по каналам мобильной связи. К примеру, заполнившись на 85 процентов, урна самостоятельно уведомляет сотрудников коммунальных служб о своем состоянии и просит прислать машину для вывоза отходов.

Стоимость одной урны Big Belly Bin составляет чуть более 4800 долларов США. Несмотря на то, что стандартный контейнер обходится муниципалитету в три раза дешевле, власти считают, что новые устройства окупятся достаточно быстро, благодаря значительному сокращению затрат на вывоз мусора. Кроме того, новые урны позволят сократить выброс в атмосферу углекислого газа.

На данный момент разработка проходит полевые испытания в городе Кембридж (Cambridge). «Мы с большим интересом приступаем к тестированию этих устройств, которые являются новинкой для Великобритании, хотя и получили достаточно широкое распространение в других странах, например, в США», - рассказывает член муниципального совета Клэр Блер (Clare Blair).

В частности, высокотехнологичные контейнеры можно увидеть на территории городского парка Green End Road.

Конструкция, названная художником Ventile, пока существует только на бумаге. Однако принцип, реализованный с помощью проекта, вполне может иметь право на существование. Ventile оснащен гибридной силовой установкой, которая восполняет энергию аккумуляторов не за счет рекуперации кинетической энергии во время торможения, и не применяет для этого традиционные устройства, работающие от двигателя внутреннего сгорания.

В огромные колеса автомобиля встроены турбины, лопасти которых вращает ветер благодаря специальным направляющим, из которых состоят обода колес. Именно ветряную энергию и преобразует генератор в электрическую. Кроме того, огромный ротор конструктор расположил под днищем автомобиля, где его вращает поток набегающего воздуха.

С этим проектом Тьерри Дюма участвовал в дизайнерской выставке Michelin’s Challenge Design, цель которой – поиск в Интернете молодых талантов. Естественно, никто не ждет от проекта Ventile мгновенной реализации, но не исключено, что кто-то из производителей сочтет идею, зафиксированную дизайнером, перспективной.

Фотогальваническое покрытие, созданное французскими исследователями, имеет два важнейших свойства – хорошую прозрачность и достаточно высокое напряжение вырабатываемого тока. Участок такой пленки, размещенный на экране среднего размера, в течение дня может полностью зарядить батарею современного смартфона. Напряжение тока, создаваемого новым покрытием, вполне подходит для питания аккумуляторов – порядка 1,6 вольт – и это при свете обычного комнатного светильника.

На нынешнем этапе фотогальваническое прозрачное покрытие для сенсорных экранов имеет не самый приглядный вид. Толщина пленки составляет всего 100 микрон. Разработчики из компании Wysips надеются, что производители смартфонов примут их технологию на вооружение. Также разработчики уверены, что внедрение накладываемых на экран фотогальванических элементов изменит сами принципы, которые определяют дизайн современных мобильных устройств. Повсеместно доступный источник подзарядки позволит сделать аппараты компактнее, а главное, уменьшить их вес за счет отказа от громоздких аккумуляторов повышенной емкости. Еще одно возможное последствие экранов-солнечных батарей: снижение нагрузки на окружающую среду, поскольку производство литий-ионных батарей наносит довольно серьезный ущерб природе как при добыче лития, так и при переработке исходного ископаемого сырья.

На вопрос о том, повлияет ли пленка Wysips на точность ввода с помощью сенсорного экрана, президент компании Людовик Деблуа (Ludovic Deblois), заявил, что пленка вообще не оказывает никакого влияния – даже на 3D-экранах, где вообще не используется стеклянная подложка. Пока специалисты компании Wysips демонстрируют свою прозрачную солнечную батарею в виде дополнительного модуля к аппарату iPhone 4, но уже в ближайшем будущем эта пленка будет встраиваться в ЖК-экраны уже на стадии производства.

По информации самой компании Wysips, новая пленка, с учетом традиционных размеров экрана современного сенсорного телефона, позволяет зарядить батарею всего за 6 часов. Второе поколение этой пленки, которое должно появиться в следующем году, будет заряжать такие батареи всего за 30-60 минут. Получается, что всего за полчаса «экспозиции» аппарата под лучами света вы сможете получить вполне работоспособный, а через час – полностью заряженный аппарат. Главное, что во время перезарядки не нужно подключать никакие провода и не нужно прекращать пользоваться телефоном.

Самый интересный аспект новой технологии от французских исследователей заключается в сроках серийного выпуска. Разработчики оптимистично сообщают, что в течение ближайших 12 месяцев начнется выпуск готовых экранов с интегрированной солнечной батареей для электронных «читалок», телефонов и планшетов.

Практически все более ранние работы по ускорению зарядки батарей ориентировались на литиевые элементы и решали лишь одну проблему – скорость движения ионов лития в материале батареи. Обеспечив расширенный доступ к электродам за счет покрытия с аноструктурированием, авторы обеспечили большему числу электронов возможность переносить заряд, что и позволяет ускорить зарядку. Ключом к изменению характеристик накопления энергии ранее служили изменения в структуре главного материала батареи - LiFePO4.

Ученые из университета шт. Иллинойс на этот раз выбрали другой путь для ускорения зарядки. Вместо ускорения ионов лития они решили сократить дистанцию, которую проходят ионы лития перед попаданием на электрод. Как удалось показать ученым, время диффузии лития увеличивается пропорционально квадрату проходимого расстояния, так что сокращение дистанции принесло отличные результаты. Для сокращения пути ионов ученые изменили структуру катода.

Процесс, с помощью которого авторы оптимизировали структуру катода, относительно прост – его легко внедрить в массовое производство. Начинается этот процесс со сбора сферических полистироловых гранул. Подбирая размер этих гранул (в экспериментах использовались гранулы диаметром 1,8 микрометра и 466 нанометра), ученые смогли изменить промежутки между выступами на электроде. После размещения гранул на поверхности электрода над ними создается слой опала (одна из форм кремния), который фиксирует расположение гранулы. На следующем этапе на слой опала с помощью гальванического осаждения наносится слой никеля, а сам опал удаляется травлением. Пористость никелевого слоя в конце повышается с помощью электрохимической полировки.

По завершении процесса пористость никелевого покрытия на электроде, как доля пустых промежутков в структуре, достигает 94% - это близко к теоретическому пределу в 96%. Получается, что подавляющую часть площади в новом никелевом электроде составляет пустой пространство. Именно в эти поры проникает основной материал аккумулятора, будь то никель-металл-гидрид (NiMH) или обработанный литием диоксид марганца. Такая конструкция дает три главных преимущества, как утверждают авторы: сеть пор в электролите обеспечивает быстрое движение ионов, короткие расстояния диффузии при достижении электродов ионами, а также высокая проводимость электрода. В результате всех этих конструктивных особенностей литиевый аккумулятор приближается по скорости заряда/разряда к суперконденсаторам.

В батареях с никель-металл-гидридным электролитом новые электроды обеспечивают зарядку до 75% емкости всего за 2,7 секунды; заряд до 90% емкости занимает всего 20 секунд, причем эти показатели сохраняются после 100 циклов зарядки/разрядки. Литиевые батареи работают не так хорошо, но результаты все равно впечатляют. При частых и больших разрядах батарея сохраняет 75% обычной емкости, а после 1000 циклов разряда батарея сохраняет треть начальной емкости. Заряд такой батареи до 75% емкости занимает около минуты, а за две минуты батарея заряжается до 90% емкости.

Имя для сего творения автомобильной промышленности выбрали очень звучное – Ellada (то есть Electric Lada). Электромобиль создан силами конструкторов Волжского автозавода и обещает продемонстрировать очень достойные результаты. Вот только пока неизвестно, сможет ли рядовой потребитель-автомобилист насладиться чудо-машиной: в пресс-службе завода АвтоВАЗ заявили, что «массовое производство подобных автомобилей может начаться, только когда появятся условия для их эксплуатации». Официально никаких сроков появления автомобиля на рынке не сообщается, однако в неофициальных источниках поговаривают о 2014 годе. Причем указывается даже цена – от 550 тыс. до 700 тыс. рублей. В общем, будем ли мы кататься на экологически безопасных автомобилях отечественного производства – пока не ясно.

Сравнение дало результат не в пользу более раннего изобретения — исследователи назвали суперконденсаторы аналогами бегунов-спринтеров, которые накапливают в себе большое количество энергии, но отдают ее всю за небольшой промежуток времени. А вот аккумуляторы нового типа для ученых — это своего рода марафонцы — энергии в них тоже немало, тратят они ее понемногу, и этот процесс может длиться долго.

Полученное в процессе многочисленных опытов пористый трехмерный углерод значительно превосходит по своим характеристикам суперконденсаторы и имеет ряд других достоинств, например, он позволяет наносить сверхтонкое покрытие. Профессор Родни Руофф (Rodney S. Ruoff), один из ученых, создавших данное вещество, сказал, что одного грамма трехмерного пористого углерода хватит, чтобы покрыть площадь размерами 3100 квадратных метров. Если же взять два грамма этого изобретения, то его будет вполне достаточно, чтобы накрыть стандартное футбольное поле, пишет tgdaily.com.

Между тем, исследователи считают, что их изобретение лучше всего использовать совместно с суперконденсаторами. Перспективы применения трехмерного пористого углерода, считает Эрик Стах (Eric Stach) американский ученый, довольно широки. Он может использоваться в электрических автомобилях, сотовых телефонах, портативных компьютерах и других устройствах, работа которых основывается на качественной системе питания.

Профессора Карен Глисон и Владимир Булович вместе с группой студентов разработали фотоэлементы, которые можно буквально печатать на любой гибкой поверхности - бумаге, ткани или пластике. При этом даже при сгибании такая солнечная батарея не будет терять способности вырабатывать и проводить электричество.

Традиционные технологии производства фотоэлементов подразумевают использование высоких температур, что исключает возможность применения горючих или плавких носителей - таких как целлюлоза или пластмасса. Однако в MIT изобрели процесс производства, протекающий при температурах менее 120 градусов по Цельсию и использующий "печать" фотоэлементов на носителе с помощью пара.

Такой метод позволит производителям солнечных батарей в будущем отказаться от дорогостоящих и трудных в обращении материалов, таких как стекло, сократив издержки и упростив производство. Легче станет и установка таких "экологичных" источников электричества - солнечную батарею можно будет просто расстелить на крыше или повесить на стену дома, после чего подключить к электросети.

Впрочем, пока что новая технология нуждается в усовершенствовании - электричества напечатанные фотоэлементы производят крайне мало.