Générateur d'électricité flottant pour la récolte de vibrations omnidirectionnelles de gouttelettes

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Générateur flottant basé sur la récolte de vibrations omnidirectionnelles de gouttelettes

Générateur de vibrations omnidirectionnelles à base de gouttelettes flottantes : une recherche révolutionnaire

Contexte académique

Avec l’application généralisée des dispositifs de l’Internet des Objets (IoT) dans la surveillance des environnements marins, la question de la fourniture d’une énergie stable à ces dispositifs sans dépendre du réseau électrique est devenue un problème urgent. Les énergies renouvelables traditionnelles comme l’éolien et le solaire présentent des limitations en environnement marin, tandis que les nanogénérateurs triboélectriques (Triboelectric Nanogenerator, TENG), en raison de leur capacité de conversion efficace de l’énergie mécanique, sont considérés comme une solution potentielle. Cependant, la plupart des dispositifs TENG existants reposent sur des interfaces de friction solide-solide, ce qui entraîne des problèmes d’usure et limite leur utilisation à long terme. De plus, de nombreux TENG à base de gouttelettes ne peuvent collecter l’énergie que dans une seule direction, ce qui les rend inadaptés aux mouvements multidirectionnels imprévisibles des environnements marins.

Pour résoudre ces problèmes, l’équipe de recherche a proposé un générateur de vibrations omnidirectionnelles à base de gouttelettes flottantes (Floating Droplet-based Electricity Generator, FDEG), visant à exploiter l’énergie des vagues océaniques pour une collecte d’énergie efficace et durable. Le dispositif, grâce à une conception asymétrique des capacités entre la gouttelette et les électrodes, améliore significativement la production électrique et permet la collecte d’énergie dans toutes les directions.

Source de l’article

Cette étude a été réalisée par Jiaming Zhou, Xiaoting Ma, Zihao Deng, Jingyi Gao, Eunjong Kim, Hongjian Zhou et Dong-Myeong Shin de The University of Hong Kong, et publiée le 18 avril 2025 dans la revue Device, sous le titre Floating Electricity Generator for Omnidirectional Droplet Vibration Harvesting. L’article est en accès libre (Open Access) et peut être consulté via le lien DOI.

Processus de recherche

1. Conception et fabrication du dispositif

Le cœur de la structure du FDEG se compose de deux parties principales : la couche interne de génération d’électricité et la couche externe de support. La couche interne comprend un film mince de fluorure d’éthylène propylène (FEP) sur lequel sont disposées des électrodes en cuivre circulaires et annulaires. La couche externe est un bol hémisphérique en acrylique, utilisé pour maintenir le dispositif à flot et entraîner le mouvement de la couche interne par les vagues. Une gouttelette (eau déionisée) est intégrée au sommet de la couche FEP, déclenchant l’écoulement de charge entre les électrodes en roulant.

Conception clé :

  • Conception asymétrique des électrodes : l’électrode annulaire est située au sommet de la couche FEP, en contact direct avec la gouttelette ; l’électrode circulaire est située sous la couche FEP, évitant tout contact direct avec la gouttelette.
  • Circuit fermé : la gouttelette connecte instantanément les électrodes annulaires et circulaires en roulant, formant un circuit fermé, ce qui améliore la sortie de courant.

2. Étude du mécanisme de fonctionnement

Le mécanisme de fonctionnement du FDEG est basé sur l’effet triboélectrique entre la gouttelette et les électrodes. Lorsque la gouttelette entre en contact avec la couche FEP ou l’électrode annulaire, la surface de la couche FEP ou l’électrode annulaire accepte une charge négative de la gouttelette. Le processus se divise en quatre étapes : 1. Étape 1 : la gouttelette entre en contact avec l’électrode annulaire, le circuit se ferme, puis se sépare. 2. Étape 2 : la gouttelette glisse vers le centre de la couche FEP, réduisant la surface de contact, et le circuit se coupe à nouveau. 3. Étape 3 et Étape 4 : répétition des étapes précédentes, avec transfert de charge via une charge externe.

3. Optimisation des paramètres

Pour optimiser les performances de sortie du FDEG, l’équipe de recherche a ajusté des paramètres tels que le volume de la gouttelette et l’espacement des électrodes. Les expériences montrent que lorsque le volume de la gouttelette correspond à l’espacement des électrodes, la sortie de courant atteint son maximum. De plus, grâce à des simulations de dynamique des fluides numérique (CFD), l’équipe a étudié la réponse du dispositif à différentes amplitudes et fréquences de vagues, validant son applicabilité dans des environnements marins réels.

4. Étude de l’effet de la salinité

Pour élargir la portée de l’application, l’équipe de recherche a également testé l’effet de différents niveaux de salinité et types de sels sur la sortie du FDEG. Les résultats montrent que les solutions salines à faible concentration peuvent augmenter significativement le pic de courant, tandis que les solutions à forte concentration entraînent une diminution de la sortie. Cette découverte fournit un soutien théorique pour l’application du FDEG dans différents environnements aquatiques.

Principaux résultats

  1. Sortie de courant élevée : avec un volume de gouttelette de 2,4 mL, la sortie de courant instantané du FDEG atteint 22,80 ± 1,68 mA, soit 20 fois celle d’une configuration à électrode unique.
  2. Haute densité de puissance : avec une solution de Na₂SO₄ à 0,5 mM, la densité de puissance du FDEG atteint 1 190,6 W/m³, établissant un nouveau record pour les TENG à base de gouttelettes.
  3. Performance omnidirectionnelle : le dispositif peut fonctionner de manière stable dans des environnements de vagues multidirectionnels, ce qui le rend adapté aux environnements marins imprévisibles.
  4. Optimisation de la salinité : les solutions salines à faible concentration (1 mM NaCl et 0,5 mM Na₂SO₄) peuvent augmenter significativement le pic de courant.

Conclusion et valeur

Cette étude présente pour la première fois un générateur de vibrations omnidirectionnelles à base de gouttelettes, qui, grâce à une conception asymétrique des électrodes et au basculement instantané du circuit fermé, améliore significativement la production électrique. Ce dispositif possède non seulement une haute densité de puissance et de charge, mais est également capable de collecter de l’énergie durablement dans des conditions environnementales variées, ouvrant de nouvelles perspectives pour la récolte d’énergie à partir de vibrations naturelles.