太陽光発電パネルは、空から無尽蔵に降り注ぐ太陽光を電力に変え、二酸化炭素を排出しないクリーンなエネルギー源ではあるが、天候に左右され、雨や曇りの日には著しく発電効率が落ちてしまうため、燃料さえ供給できれば24時間発電できる化石燃料や原子力発電に比べると、安定した電源とは言いがたい。
中国・深センにある清華大学の研究者らは、クリーンエネルギーの更なる効率化のために、空から降ってくる雨粒を利用する事を考えた。そして、太陽電池で使われているパネル配置に着目し、液体と固体の接触から電気を発生させる事でこれを実現したのだ。
空から降ってくる雨粒には運動エネルギーが含まれており、理論的にはそれを捕獲して電気に変換することができる。
この資源を利用しようと考えたのは、今回が初めてではない。研究者たちは以前、デバイスから電気を取り出すために、液体と固体の接触による電気を利用したことがある。摩擦帯電型ナノ発電機（triboelectric nanogenerator、TENG）は、波などの他のソースからも電気を集めることができるが、スケールアップには問題がある。
雨粒から電気を集める
この分野での先行研究は、一般にD-TENGと呼ばれる液滴ベースのTENGの開発につながった。これらのデバイスは瞬時出力が非常に高いが、発電所が通常発電するメガワットレベルの電力を発電するには、複数のD-TENGが必要である。
複数のD-TENGを接続することは、問題に対する最も明白な解決策だが、望ましくない影響がある。複数のD-TENGを接続すると、上部電極と下部電極の間に意図しないカップリング容量が発生し、デバイスの出力が低下するのだ。
中国の清華深圳国際大学院のZong Li教授率いる研究チームは、ソーラーパネルからヒントを得てブリッジ・アレイ発電機発電機を設置し、静電容量の影響を軽減した。
ブリッジアレイ発電機の利点
FEP表面と呼ばれるD-TENGパネルの表面に雨滴が落ちると、水滴はプラスに帯電し、表面はマイナスに帯電する。
「それぞれの液滴が発生させる電荷の量は小さく、FEP上の表面電荷は徐々に消滅する。表面で長い時間が経過すると、FEP表面の電荷は徐々に蓄積して飽和状態になります。この時点で、FEPの表面電荷の散逸速度は、液滴が衝突するたびに発生する電荷量と釣り合っています」と、Li教授は説明する。
研究者たちは、異なるサイズのサブ電極と様々な厚さのパネルを持つブリッジ・アレイ発電機発電機を使用し、電力損失に影響があるかどうかを確認した。ブリッジ・アレイ発電機で作られたD-TENGパネルは、互いに独立していることが判明し、意図しない電力損失を低減できることがわかった。
「ブリッジ・アレイ発電機のピーク出力は、同じサイズの従来の大面積雨滴エネルギーの5倍近く高く、1平方メートルあたり200ワットに達します」。
また、FEPの厚みを増すことで、表面電荷密度に影響を与えることなく結合キャパシタンスが減少し、ブリッジアレイ発電機の性能をさらに向上させることができた。
この発見は、再生可能エネルギーを利用する新しい方法を切り開く可能性がある画期的な物だ。
論文
参考文献
研究の要旨
雨滴には、運動エネルギーと静電エネルギーの両方を含む豊富な再生可能エネルギーが含まれており、これをいかに効果的に利用するかがホットな研究テーマとなっている。最近、液体-固体接触帯電を利用したトライボエレクトリック・ナノジェネレーター（TENG）が超高瞬間出力を達成することが実証された。しかし、単一の液滴ではなく、密集した雨滴からエネルギーを収穫する場合、出力を最大化するためには、個々の発電ユニットの相互影響を排除する、より合理的な構造が必要である。本研究では、「ソーラーパネル型」ブリッジアレイ発電機（BAGs）を提案する。アレイ下部電極(ALE)とブリッジ還流構造(BRS)を採用することで、BAGsは大規模エネルギーハーベスティングデバイスのピーク出力の急激な低下を最小限に抑えることができる。雨滴エネルギーハーベスティングデバイスの面積が 15 × 15 cm2 の場合、BAGs のピーク出力は 200 W/m 2 に達し、これは大規模で効果的な雨滴エネルギーハーベスティングのための潜在的な産業アプローチを開拓するための顕著な成果である。
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