물에 뜨는 장치는 빗방울을 전기로 바꿔준다

대부분의 액적 전기 발생기는 견고한 플랫폼과 금속 바닥 전극을 사용합니다. 빗방울이 상부 유전체 필름에 닿으면 그 충격으로 인해 전기 신호가 생성됩니다. 이 접근 방식은 수백 볼트를 생성할 수 있지만 광범위한 배포를 제한하는 견고하고 값비싼 재료에 의존합니다. 새로운 디자인은 장치가 물 표면에 떠 있도록 하는 방식으로 다른 접근 방식을 취합니다. 이 설정에서 물 자체는 지지 기반 역할을 하며 전도성 전극 역할도 합니다. 이러한 자연 통합 구성은 기존 시스템에 비해 유사한 전기 출력을 유지하면서 장치 무게를 약 80% 줄이고 비용을 약 50% 절감합니다.

물이 에너지 생성을 개선하는 방법

빗방울이 부동 유전체 필름에 떨어지면 그 아래의 물이 비압축성과 표면 장력으로 인해 충격을 흡수하는 데 필요한 강도를 제공합니다. 이렇게 하면 물방울이 표면 전체에 더 효과적으로 퍼질 수 있습니다. 동시에 물 속의 이온은 전하 운반체 역할을 하여 물층이 신뢰할 수 있는 전극으로 작동할 수 있게 해줍니다. 이러한 결합된 효과를 통해 부동 발전기는 금속 부품 및 고체 기판에 의존하는 장치에 필적하는 성능 수준인 액적당 약 250V의 높은 피크 전압을 제공할 수 있습니다.

내구성은 새로운 시스템의 주요 장점입니다. 테스트에 따르면 W-DEG는 광범위한 온도와 염분 수준에서, 심지어 생물 오염 물질이 포함된 천연 호수 물에 노출된 경우에도 계속 기능하는 것으로 나타났습니다. 많은 에너지 수확 장치는 이러한 환경에서 성능이 저하되지만 이 발전기는 유전층이 화학적으로 불활성이고 수성 구조가 자연적으로 탄력성이 있기 때문에 안정적인 상태를 유지했습니다. 신뢰성을 더욱 향상시키기 위해 팀은 물의 강한 표면 장력을 사용하여 물이 위쪽으로 이동하지 않고 아래쪽으로 이동하는 배수 구멍을 설계했습니다. 이는 과도한 물방울을 제거하는 자체 조절 방법을 생성하고 성능을 방해할 수 있는 물 축적을 방지하는 데 도움이 됩니다.

대규모 에너지 수집을 위한 확장 가능한 설계

확장성은 이 기술의 유망한 측면입니다. 연구진은 대부분의 이전 액적 생성기보다 훨씬 큰 0.3제곱미터 크기의 통합 장치를 만들고 동시에 50개의 발광 다이오드(LED)에 전력을 공급할 수 있음을 시연했습니다. 또한 이 시스템은 몇 분 안에 커패시터를 유용한 전압으로 충전하여 소형 전자 장치 및 무선 센서에 전력을 공급할 수 있는 잠재력을 보여주었습니다. 지속적인 개발을 통해 유사한 시스템을 호수, 저수지 또는 연안 해역에 배치하여 육상 공간을 사용하지 않고도 재생 가능한 전력을 공급할 수 있습니다.

이번 연구의 교신 저자인 Wanlin Guo 교수는 “물 자체가 구조적 및 전기적 역할을 모두 수행하도록 함으로써 가볍고 비용 효율적이며 확장 가능한 물방울 전기 생성을 위한 새로운 전략을 열었습니다.”라고 말했습니다. “이것은 태양광 및 풍력과 같은 다른 재생 가능 기술을 보완할 수 있는 토지 없는 수력 발전 시스템의 문을 열어줍니다.”

더 넓은 응용 분야와 미래 가능성

이 연구의 영향은 강우로부터 에너지를 포착하는 것 이상입니다. 발전기는 자연적으로 물 위에 떠 있기 때문에 수질, 염분 또는 오염에 대한 센서를 포함하여 다양한 수생 환경에서 환경 모니터링 시스템을 지원할 수 있습니다. 비가 자주 내리는 지역에서 이 기술은 지역 전력망에 분산된 청정 전력 공급원을 제공하거나 독립형 수요에 대한 자원 역할을 할 수 있습니다. 물과 같은 풍부한 천연 재료를 필수 작업 구성 요소로 사용하는 “자연 통합 디자인” 접근 방식은 지속 가능한 기술의 미래 발전에 영감을 줄 수도 있습니다.

실험실 결과는 고무적이지만 연구원들은 기술을 대규모로 배포하기 전에 추가 작업이 필요하다고 강조합니다. 실제 빗방울은 크기와 속도가 다양하며 이러한 차이는 발전에 영향을 미칠 수 있습니다. 동적 실외 조건에서 대형 유전체 필름의 내구성을 유지하려면 추가 엔지니어링이 필요합니다. 그럼에도 불구하고 안정적이고 효율적이며 확장 가능한 프로토타입의 성공적인 시연은 실제 적용을 향한 중요한 단계를 나타냅니다.