Статическая электростанция: Статическая и динамическая устойчивость

Статическая и динамическая устойчивость

Расчет статической и динамической устойчивости выполняется для:

• выбора основной схемы энергосистемы и уточнения размещения основного оборудования;
• выбора рабочих режимов энергосистем;
• выбора мероприятий по повышению устойчивости энергосистем;
• определения параметров настройки систем регулирования и управления, релейной защиты (РЗ), автоматического повторного включения (АПВ) и др.;
• определения параметров настройки систем ПК, предназначенных для повышения устойчивости энергосистем;
• проверки выполнения нормативных показателей устойчивости.

ИКНЭТ предоставляет услуги по проведению расчетов статической и динамической устойчивости.

Динамическая устойчивость энергосистемы

Динамическая устойчивость – способность энергосистемы возвращаться к установившемуся режиму работы после значительных возмущений (КЗ, отключение любого элемента энергосистемы и т. п.), при которых изменения параметров режима по сравнению со значениями этих параметров без перехода к асинхронному режиму.
При определении методов анализа динамической устойчивости оператор системы передачи (ОСП) применяет следующие правила:

1. Если границы статической устойчивости достигаются ранее границ динамической устойчивости, ОСП с учетом аварийных ситуаций из перечня аварийных ситуаций должен выполнять анализ динамической устойчивости только на основе результатов расчетов динамической устойчивости, выполненных для долгосрочного планирования.
2. Если при планировании отключений пределы динамической устойчивости достигаются ранее границ статической устойчивости, ОСП с учетом аварийных ситуаций из перечня аварийных ситуаций должен провести анализ динамической устойчивости на этапе оперативного планирования на день вперед, пока эти режимы существуют. ОСП должен подготовить корректирующие действия, которые будут использоваться в случае необходимости во время работы в реальном времени.
3. Если сеть в режиме реального времени находится в ситуации «N», а границы динамической устойчивости достигаются ранее границ статической устойчивости, ОСП с учетом аварийных ситуаций из перечня аварийных ситуаций должен проводить анализ динамической устойчивости на всех этапах оперативного планирования и быть способным быстрее повторно оценивать пределы динамической устойчивости после существенного изменения режима.

Если анализ динамической устойчивости указывает на нарушение границ устойчивости, ОСП должен разработать, подготовить и активизировать корректирующие действия с целью поддержания устойчивости системы передачи. Эти корректирующие действия могут охватывать пользователей системы передачи / распределения.
ОСП должен настроить оборудование, релейная защита и противоаварийная автоматика таким образом, чтобы при ликвидации нарушений, способных привести к широкомасштабной потери устойчивости системы, был меньше, чем критическое время устранения повреждений, исчисленный ним при анализе динамической устойчивости.
Объектом исследования динамической устойчивости является расчет реакции системы на конкретный набор аварий, обычно однофазных или трехфазных КЗ, которые можно устранить путем отключения линий электропередачи. Выполняется проверка реакции генераторов для того, чтобы убедиться, что все оборудование работает синхронно, затухания колебаний в энергосистеме остаются на допустимом уровне и восстановление напряжения после аварии происходит должным образом.
Моделирование переходных процессов должно учитывать все соответствующие воздействия во временных рамках, представляющих интерес, обычно несколько секунд после возникновения аварии, является объектом анализа переходных режимов. Также необходимо точно воспроизвести реакцию системы учитывая частоту зафиксированных колебаний. Обычно, колебания в энергосистеме возникают в диапазоне от 0,2 до 2 Гц. Также очень важным является моделирование способности (или неспособности) станции контролировать напряжение в этих временных рамках.
Пример однофазного короткого замыкания на ВЛ 150 кВ продолжительностью 500 мс приведены ниже.

 
Статическая устойчивость энергосистемы

Статическая устойчивость – способность энергосистемы возвращаться к установившемуся режиму после малых возмущений режима, при которых изменения параметров очень малы по сравнению с их средними значениями.

Запас статической устойчивости для установившегося режима работы энергосистем определяется его близостью к границе области устойчивости. Этот запас характеризуется коэффициентами запаса. По условиям статической устойчивости энергосистем нормируют минимальные коэффициенты запаса по активной мощности в сечениях и минимальные коэффициенты запаса по напряжению в узлах нагрузки. Кроме того, устанавливают группы нормативных возмущений, при которых должны обеспечиваться как динамическая устойчивость, так и нормативные запасы статической устойчивости в послеаварийных режимах.
Для определения коэффициента запаса статической устойчивости по активной мощности в сечении схемы выполняются утяжеления режима путем увеличения перетока мощности в сечении до получения предельного по устойчивости режима.
Во время эксплуатации для контроля за соблюдением нормативных запасов статической устойчивости следует, как правило, использовать значение перетоков активной мощности. При необходимости задают как функции перетоков в других сечениях максимально допустимые и аварийндопустимые перетоки. Такие перетоки и напряжение следует считать контролируемыми параметрами. В зависимости от конкретных условий как контролируемые можно использовать другие параметры режима энергосистемы, в частности значения углов между векторами напряжения на концах линии электропередачи. Допустимые значения контролируемых параметров, при которых обеспечивается нормативный коэффициент запаса по активной мощности, устанавливают на основе расчетов соответствующих режимов работы энергосистем.
Для контроля соблюдения нормативных запасов напряжения в эксплуатационной практике можно использовать напряжение в любых узлах энергосистемы. Допустимые значения напряжения в контролируемых узлах устанавливают по расчетам режимов работы энергосистем.
Для получения полной картины по статической устойчивости режимов работы энергоблоков электростанций ОЭС Украины, необходимо осуществить проверку исходных нормальных, ремонтных и послеаварийных режимов колеблющуюся устойчивость с учетом соответствующих математических моделей как самих генераторов, так и их систем возбуждения с АРВ.
Ниже показано скольжение роторов генераторов и напряжений на выходе АРЗ 57 генераторов электростанций Украины. Как видно из этих зависимостей — исходный режим работы всех генераторов статически устойчив.
Пример однофазного короткого замыкания на ВЛ 150 кВ продолжительностью 500 мс приведены ниже.
 
Значения показателей устойчивости в зависимости от перетока в сечении, схемы сети и нормативных возмущений должны быть не ниже приведенных в таблице.

Примечание:

^* — кроме однофазного КЗ с отказом выключателя и действием УРОВ в сети напряжением 110 — 220 кВ.
^** — только для многофазного КЗ с успешным и неуспешным АПВ в сети напряжением 750 кВ.

Расчеты устойчивости энергосистем и расчетная проверка мер по ее обеспечению является обязательной частью работ по проектированию и эксплуатации энергосистем. 

Электростанция Вагон-электростанция для обеспечения движения поездов на неэлектрифицированных участках железных дорог. МОЩНОСТЬ 1350 кВт РАБОЧИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ, °C -50/+45 ОБСЛУЖИВАНИЕ 1 оператор ВАГОН МОД. 61-4551 Основная задача нового вагона-электростанции – обеспечение электроэнергией пассажирских поездов, эксплуатируемых на неэлектрифицированных участках железных дорог с шириной колеи 1520 мм. Для этой цели в вагоне используется дизель-электрическая станция общей мощностью 1350 кВт, состоящая из трех дизель-электрических установок.Вагон-электростанцию обслуживает один оператор, задачей которого является контроль работы оборудования. ВАГОН ОСНАЩЁН: системой противоюзной защиты системой автоматического пожаротушения пожарной сигнализацией с указанием места возникновения пожара ДЛИНА 25,5 м ШИРИНА 3,1м БАЗА 17 м Вагон-электростанция рассчитан на эксплуатацию в любое время года.

Системы отопления, вентиляции и кондиционирования, установленные в вагоне, обеспечивают необходимые условия для работы обслуживающего персонала и оборудования при температурах от минус 50 до плюс 45 градусов при относительной влажности до 90%.Обслуживание вагона-электростанции производится перед отправкой в рейс, предусмотрены также ежемесячный, полугодовой и годовой регламенты обслуживания. масса экипированного вагона 72 тонны статическая нагрузка на ось, макс 18 тонн автономное время работы 50 часов Разработчиком конструкторской документации вагона-электростанции является Центральное конструкторское бюро транспортного машиностроения (АО «ЦКБ ТМ»).Соисполнителем проекта выступила компания «ТМХ Инжиниринг», которая проводила техническую экспертизу конструкторской документации. В 2021 и начале 2022 года вагон-электростанция успешно прошел комплекс испытаний, которые подтвердили соответствие технических требований конструкторской документации. 

МОЩНОСТЬ 1350 _кВт

РАБОЧИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ, °C -50/+45

ОБСЛУЖИВАНИЕ 1 _{оператор}

Основная задача нового вагона-электростанции – обеспечение электроэнергией пассажирских поездов, эксплуатируемых на неэлектрифицированных участках железных дорог с шириной колеи 1520 мм. Для этой цели в вагоне используется дизель-электрическая станция общей мощностью 1350 кВт, состоящая из трех дизель-электрических установок.

Вагон-электростанцию обслуживает один оператор, задачей которого является контроль работы оборудования.

ВАГОН ОСНАЩЁН:

• системой противоюзной защиты
• системой автоматического пожаротушения
• пожарной сигнализацией с указанием места возникновения пожара

ДЛИНА 25,5 _м

ШИРИНА 3,1_м

БАЗА 17 _м

Вагон-электростанция рассчитан на эксплуатацию в любое время года. Системы отопления, вентиляции и кондиционирования, установленные в вагоне, обеспечивают необходимые условия для работы обслуживающего персонала и оборудования при температурах от минус 50 до плюс 45 градусов при относительной влажности до 90%.

Обслуживание вагона-электростанции производится перед отправкой в рейс, предусмотрены также ежемесячный, полугодовой и годовой регламенты обслуживания.  

масса экипированного вагона 72 _тонны

статическая нагрузка на ось, макс 18 _тонн

автономное время работы 50 _часов

Разработчиком конструкторской документации вагона-электростанции является Центральное конструкторское бюро транспортного машиностроения (АО «ЦКБ ТМ»).

Соисполнителем проекта выступила компания «ТМХ Инжиниринг», которая проводила техническую экспертизу конструкторской документации. В 2021 и начале 2022 года вагон-электростанция успешно прошел комплекс испытаний, которые подтвердили соответствие технических требований конструкторской документации. 

О нас | Static Power

В течение трех десятилетий Static Power занимается продажей и обслуживанием оборудования для защиты электропитания «под ключ» для всех отраслей промышленности. Наша общенациональная сеть опытных инженеров и выездных техников предоставляет услуги по консультированию, проектированию, продаже, установке, тестированию и техническому обслуживанию систем резервного питания.

• Системы бесперебойного питания (ИБП)
• Батареи
• Электростанции постоянного тока
• Блоки распределения питания (PDU)
• Стабилизаторы напряжения
• Аварийное освещение

Наша деятельность заключается в предоставлении решений по резервному питанию для ваших объектов, чтобы вы могли быть уверены, что ваши предприятия и системы защищены от перебоев в подаче электроэнергии и стихийных бедствий. Наш опытный персонал работает с каждым клиентом, чтобы предоставить ему эффективную и действенную систему, адаптированную к его потребностям в защите электропитания.

Мы здесь, чтобы помочь вам защитить ваш бизнес.

Static Power предоставляет услуги «под ключ» для клиентов, которым нужны комплексные системы. Кроме того, если вам нужна помощь в конкретном аспекте покупки или обслуживания оборудования, мы можем вам помочь. Наш опыт, знания и репутация в области качества сделали нас номером один среди производителей и поставщиков, которые хотят получить наилучшее обслуживание для своих клиентов. Наш оперативный, профессиональный сервис и наш технический опыт сделали нас предпочтительным поставщиком для конечных пользователей, которые предпочитают пользоваться независимыми услугами по техническому обслуживанию и консультациям.

Услуги по продажам и закупкам  – Static Power Поставки, техническое обслуживание и ремонт оборудования от ряда самых известных производителей в области защиты электропитания, включая, помимо прочего: APC (MGE), Chloride, Eaton (Powerware) , Emerson (Liebert), GE, Mitsubishi и PowerVar. Наша сеть поставщиков аккумуляторов и аккумуляторных батарей включает B&B, C&D, CSB, Enersys (Yuasa), Exide, GNB, Haze, Leoch, Northstar и Power Battery. Мы предлагаем электростанции постоянного тока производства C&D, Eltek-Valere, Exide, Hindle, LaMarche, Myers Power Products (ADS/Magnetek) и Peco II.

Консультации и услуги по проектированию  – Мы оценим вашу существующую систему и разработаем для вас требования к новой или заменяющей системе. Наши опытные сотрудники могут разработать индивидуальное решение для защиты электропитания, которое наилучшим образом соответствует вашим потребностям.

Мы работаем с каждым клиентом, чтобы выбрать систему, наиболее соответствующую его потребностям, будь то небольшая телекоммуникационная система или аварийное освещение для склада, или полная система защиты электропитания для крупного аэропорта или транспортного узла.

Услуги по установке  – Независимо от того, где было приобретено ваше оборудование, технические специалисты Static Power, прошедшие обучение на заводе, могут установить, протестировать и ввести в эксплуатацию ваше оборудование для преобразования энергии. Мы также предлагаем услуги по складированию и проверке нового оборудования перед установкой.

Техническое и сервисное обслуживание  – Мы предлагаем полный набор договоров на техническое и сервисное обслуживание, все из которых подкреплены опытом наших инженеров и техников по выездному обслуживанию. Вы можете выбрать соглашения о техническом и сервисном обслуживании, которые наилучшим образом соответствуют вашим индивидуальным потребностям. Static Power предоставляет услуги по профилактическому обслуживанию, обслуживанию и ремонту на месте. Наши технические специалисты доступны 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, и быстро реагируют на ремонт вашего критического силового оборудования.

Независимо от того, где было приобретено ваше оборудование, Static Power предлагает соглашения на техническое обслуживание с учетом вашего конкретного оборудования и потребностей.

Эксклюзивные услуги по техническому обслуживанию  – Многие ведущие производители сохранили Static Power исключительно для обслуживания и выполнения гарантийных работ для своего силового оборудования. Наш квалифицированный персонал всегда доступен для обслуживания этого оборудования.

Услуги по утилизации  – Static Power возьмет на себя удаление и утилизацию любого старого или устаревшего оборудования при установке новой системы. Кроме того, мы будем утилизировать старые батареи, используя нашу сеть переработчиков, одобренных EPA. Утилизация аккумуляторов обычно бесплатно включена в большинство операций по замене аккумуляторов, которые мы выполняем.

Услуги аварийного восстановления  – В случае критического сбоя питания на вашем объекте национальная сеть технических специалистов Static Power немедленно отреагирует, чтобы восстановить работу вашего предприятия. Наш обширный инвентарь и сеть поставщиков гарантируют, что мы можем поставить оборудование аварийного питания для электроснабжения вашего завода или объекта до тех пор, пока не будет реализовано более постоянное решение.

От продаж до обслуживания Static Power — это универсальное решение для удовлетворения ваших требований к электропитанию. Мы предоставляем вам наилучшее обслуживание, с самым квалифицированным персоналом в отрасли, и все это при поддержке исключительной команды продаж, которая здесь, чтобы служить вам!

Трудоустройство

Static Power — ведущая независимая организация по продажам и обслуживанию, специализирующаяся в области качества электроэнергии. Таким образом, мы постоянно ищем мотивированных, самостоятельных стартеров с «нужными вещами». Мы работаем по всей стране и хотели бы получить ваш запрос, независимо от вашего местоположения. Пожалуйста, отправьте свое резюме по факсу, почте или электронной почте на адрес [email protected]. Каждое резюме будет рассмотрено и с вами свяжутся.

Нажмите здесь, чтобы отправить запрос на расчет стоимости
или позвоните нам сегодня по телефону 1.800.727.4772

Поглотители энергии: статическое электричество может питать мир

Пластиковая штуковина в руке Чжун Линь Вана не выглядит завтрашним решением нашего надвигающегося энергетического кризиса. По размеру и форме он напоминает небольшой грейпфрут, но гладкий и полупрозрачный. Когда он встряхивает его, меньший шарик внутри свободно подпрыгивает.

«Если у вас нет силы, у вас нет ничего», — говорит Ван яростным шепотом, требующим, чтобы слушатели наклонились. кусочек попкорна. В другой руке Ван держит небольшую печатную плату с мигающим светодиодом посередине. Провод соединяет пластиковую сферу со светом. Чем больше он трясется, тем громче стук и тем быстрее включается и выключается белый свет.

Мы находимся в подвальном помещении без окон в кампусе Технологического института Джорджии в Атланте. Трио исследователей с свежими лицами стоят рядом в белых лабораторных халатах, наблюдая и улыбаясь. Один держит клавиатуру, а другой кусок красно-желтой ткани.

Встряхивая красный шар в прозрачном контейнере, ученый генерирует статическое электричество, которое теоретически может питать города. (Фото: Цзинь Ливанг/Синьхуа/Alamy Live News)

«В нашей среде все движется, все меняется», — говорит Ван, все еще дрожа. «Это все энергия, и так много тратится впустую». Он хочет что-то с этим сделать. В течение последних полутора десятилетий Ван, инженер-электрик и нанотехнолог, искал способы извлечения энергии из движений обычной жизни.

Он выбрал лучшее время. Энергетическая проблема велика: нам нужна энергия в больших дозах, чтобы наши города были освещены, а автомобили работали, и нам нужно электричество в малых дозах — много — для подзарядки аккумуляторов в наших телефонах, фитнес-трекерах и планшетах. Эти требования имеют свою цену. В прошлом году в Соединенных Штатах около двух третей общего спроса на энергию потребовалось для сжигания ископаемого топлива, такого как уголь и природный газ, в процессе, при котором углекислый газ и другие парниковые газы выбрасываются в атмосферу, где они изменяют климат.

Возобновляемые источники энергии, в том числе солнце, ветер и вода, обеспечивают еще 17 процентов или около того общего спроса на энергию. Но использование сил природы сопряжено с огромными проблемами, которые в настоящее время не решены. Даже велосипедным фонарям и эллиптическим тренажерам, которые преобразуют упражнения в электричество, требуется много OOMPH для работы.

Вместо этого, Ван является первопроходцем в инженерных разработках по выработке электроэнергии с небольшим усилием. Как будто от шагов. Или капли дождя, попадающие в машину. Или усилия, необходимые для нажатия клавиш на клавиатуре. Или небольшие колебания рубашки, которую носят в течение дня. Эти и другие обычные движения могут заряжать наши устройства и освещать наши дома.

Новаторская работа Чжун Линь Вана с трибоэлектричеством привела к таким изобретениям, как небольшой генератор, приводящий в действие этот массив из 1000 светодиодов, активируемый нажатием ноги. (Фото: Роб Фелт / Технологический институт Джорджии)

В пластмассовую сферу в руке Вана встроен своего рода генератор, который использует дешевые, легкодоступные материалы для производства тока. Концепция проста, но это своего рода инженерная простота, которая, тем не менее, требует десятилетий исследований, проб и ошибок, ошибок, ошибок и ошибок. Такой генератор, по словам Вана, может позволить клавиатуре собирать энергию от нажатий клавиш или превращать одежду в мини-электростанцию.

Последние полтора десятилетия Ван, инженер-электрик и нанотехнолог, искал способы извлечения энергии из движений обычной жизни.

Идея Ванга нова в том смысле, что исследователи только начали ее изучать и понимать, но в другом смысле она довольно старая. Он использует так называемый трибоэлектрический эффект. Вы уже знаете о трибоэлектричестве, если не обязательно по имени. Так мы объясняем, почему одежда слипается после того, как ее поместили в сушилку, или почему неожиданные удары потрясают нас зимой.

Более распространенное название трибоэлектричества — статическое электричество.

Сбор искр

«Трибоэлектрический эффект» описывает то, что происходит, когда два разнородных материала трутся друг о друга и обмениваются зарядами, в результате чего один становится более положительным, а другой — более отрицательным. (Трибо- происходит от греческого слова, означающего «тереть».) Это искра, которая летит от кончика вашего пальца к дверной ручке после того, как вы шаркаете по ковру в носках в холодный сухой день.

«Идея состоит в том, чтобы собрать эти искры», — говорит микроинженер Юрген Бруггер из Федеральной политехнической школы Лозанны в Швейцарии. Он начал исследовать схемы сбора энергии с использованием трибоэлектрических материалов около двух лет назад, узнав о работе Вана.

Молния, которую вы можете получить от дверной ручки в сухой день, является результатом трибоэлектрического эффекта, более известного как статическое электричество. (Фото: Emri Terim/Shutterstock)

Древние греки заметили, что после натирания куска янтаря мехом животного затвердевший сок дерева притягивает к себе пыль и другие мелкие частицы. Слово «электрический», придуманное елизаветинским ученым Уильямом Гилбертом, говорит об этом происхождении: оно восходит к «электрону», что по-гречески означает «янтарь». Школьные учителя используют ту же самую демонстрацию янтаря на меху, чтобы представить основы электричества, показывая, что два натертых янтарных стержня отталкиваются друг от друга. Скучающие дети на вечеринках по случаю дня рождения трутся о головы воздушными шариками, чтобы их волосы встали дыбом и чтобы воздушные шарики прилипали к стенам.

Чудо статического электричества когда-то казалось многообещающим путем к великой электрификации мира. В 1663 году прусский ученый Отто фон Герике, который также был мэром Магдебурга, произвел жуткие желтые искры, потирая руками вращающийся серный шарик. Его изобретение часто признают первым электростатическим генератором, и некоторые магдебуржцы, как сообщается, считали своего мэра способным к магии. В последующие века люди использовали электростатические генераторы для самых разных, иногда сомнительных применений, от «электрических ванн» для лечения двигательных расстройств и отравления свинцом до электрификации — некоторые могли бы сказать, поражения электрическим током — растений.

Свечение трибоэлектричества со временем погасло. В 1831 году британский физик Майкл Фарадей представил первый электромагнитный генератор, который использует движущийся магнит для индукции электрического тока в спиральном проводе. Это все изменило. Сегодня генераторы на угольных электростанциях, ветряных турбинах, атомных электростанциях и плотинах гидроэлектростанций — в основном все, что работает путем преобразования физического движения в электричество — имеют в своей основе электромагнитный генератор.

Только фотокопировальные устройства все еще используют статическое электричество в виде распределенных зарядов для направления чернил на бумагу. По большей части, это превратилось в повседневную неприятность, которая находится где-то между слегка раздражающей и чрезвычайно опасной. Спускаемся по пластиковым горкам и на спешивании получаем шок; нам говорят не пользоваться мобильными телефонами и не сидеть в машинах при заправке бензином, потому что случайные заряды могут привести к возникновению дыма. Молния, самое сильное проявление статического электричества, ежегодно убивает десятки людей в США

(Источник: Emri Terim/Shutterstock)

До 2010 года Ван почти не задумывался о статическом электричестве. Он никогда не собирался разжигать энергетическую революцию. Но то, что он называет счастливым случаем в лаборатории, показало, что трибоэлектрические материалы могут создавать большие напряжения, что поставило ученого на путь их сбора.

Шокирующие начинания

В начале своей карьеры Ван руководствовался стремлением открывать новые материалы и новые явления, «независимо от того, есть ли у них применение», — говорит он. Но это мировоззрение изменилось в конце 1980-х, когда он начал работать в Ок-Риджской национальной лаборатории в Теннесси и увидел, как ученые используют новые материалы для решения реальных проблем. К тому времени, когда он перешел в Технологический институт Джорджии в 1995 году, где он работает с тех пор, его работа имела четкую цель. «Я хотел изучать только те материалы, которые действительно приносили пользу», — говорит он. Его новые проекты всегда начинаются с одного и того же вопроса: для чего мы можем это использовать?

ТЭНы, или трибоэлектрические наногенераторы, используют маленькие искры статического электричества. Когда два материала прижимаются друг к другу, они обмениваются зарядами, которые соединенные электроды могут превратить в электрический ток. (Фото: Элисон Макки/Discover)

В 2005 году Ван сосредоточил свою лабораторию на разработке устройств, способных питаться от себя. Он работал с пьезоэлектрическими кристаллами, которые генерируют искры, когда их сгибают, сжимают или иным образом деформируют. Впервые они были идентифицированы мужем Марии Кюри более 100 лет назад, но материалы, как правило, хрупкие и с ними трудно работать.

Восемь лет назад Ван и его аспиранты тестировали устройство, нечто вроде электрического бутерброда, сделанного из тонких пластин пьезоэлектрических материалов. У инженеров возникли проблемы с удалением всех воздушных зазоров между слоями, которые, как они предполагали, будут препятствовать электрическому потоку устройства. Однако при тестировании конструкции они зафиксировали более высокое напряжение — в три-пять раз выше, чем ожидали.

Исследователь использует ТЭН для питания научного калькулятора. (Источник: Лаборатория Чжун Линь Вана)

«Мы думали, что это результат испытаний», — говорит Ван, имея в виду экспериментальную ошибку. Оказалось, что остались какие-то воздушные зазоры, а это означало, что виновато что-то другое, а не пьезоэлектрический эффект. Команда поняла, что напряжение должно возникать в результате обмена зарядами при трении материалов друг о друга: статическое электричество. Это осознание стало определяющим событием в исследованиях Ванга.

Многого не требуется

К 2012 году группа Вана разработала первый трибоэлектрический наногенератор (ТЭН). Несмотря на уменьшительно звучащее название, размеры генераторов варьируются от нескольких миллиметров до метра; «нано» относится к шкале зарядов. С тех пор лаборатория Вана разработала и протестировала десятки потенциальных приложений для этих устройств сбора энергии. Он также мотивировал несколько групп и тысячи исследователей по всему миру создавать свои собственные приложения. Идеи для работоспособных TENG варьируются от звуковых динамиков на бумажной основе, которые заряжаются в сложенном виде и заправлены в обувь, до генераторов, которые преобразуют механические вдохи и выдохи для питания кардиостимулятора.

ТЭН основан на том же принципе, что и статическое электричество: когда два разных материала вступают в контакт, на одном из них могут накапливаться электрические заряды, а на другом остается противоположный заряд. В случае с этой пластиковой сферой в руке Ванга заряды накапливаются, когда внутренний и внешний шарики соприкасаются и расходятся снова и снова. Прикрепите электроды и провода к противоположно заряженным материалам, и ток потечет, чтобы исправить дисбаланс. Тока большого не будет, но многим приложениям много и не нужно.

(Фото: Alison Mackey/Discover; Фотографии предоставлены Чжун Линь Ваном)

Большинство исследователей согласны с тем, что трибоэлектрические генераторы обладают наибольшим потенциалом, когда речь идет о питании небольших устройств, таких как телефоны и часы, но Ван хочет добиться большего. Его команда недавно взяла несколько десятков таких пластиковых сфер в соседний бассейн — в нерабочее время — и выпустила их, чтобы они колебались в ряби. Даже малейшее покачивание производило достаточно энергии для питания небольших лампочек или устройств. Их расчеты показывают, что сетка из 1000 сфер, свободно плавающих в океане, должна генерировать достаточно энергии для стандартной лампочки. Сеть размером около трети квадратной мили могла бы обеспечить энергией небольшой город.

Ван не хочет останавливаться на достигнутом; он видит потенциал для множества непроверенных возможностей. Представьте себе матрицу из этих сфер, покрывающих площадь океана, равную штату Джорджия, и простирающуюся примерно на 30 футов вниз. Это примерно квадриллион сфер.

«Если мы воспользуемся этим, — говорит он своим требовательным яростным шепотом, — то выработанная энергия предназначена для всего мира».

Трибоэлектрическая волна

Исследование трибоэлектрических наногенераторов (ТЭНГ), использующих повседневное статическое электричество для питания устройств, выходит за рамки лаборатории Чжун Линь Вана.

«Многие исследовательские группы по всему миру, от ученых и представителей промышленности, спешат заняться исследованиями TENG для автономных датчиков Интернета вещей, электроники и приложений для здравоохранения», — говорит инженер-электрик Санг-Ву Ким, профессор Южнокорейского университета. Университет Сонгюнкван.

В ответ на первоначальные исследования Вана группа Ким была следующей, кто начал преследовать ТЭНы. В 2015 году они представили материал, в котором используются трибоэлектрические нити — одежда из этого материала может заряжать смарт-часы уже через несколько часов носки. В 2017 году они выпустили эластичную ткань на основе TENG. В документе, опубликованном в ACS Nano, обсуждаются относительные энергетические преимущества трикотажных и тканых тканей.

Нельсон Сепульведа хочет обеспечить мир электроэнергией с помощью FENG — ферроэлектретных наногенераторов. (Источник: Университет штата Мичиган)

Рамакришна Подила из Университета Клемсона занимается разработкой этих технологий в течение четырех лет. Недавно он представил систему беспроводной генерации энергии на основе TENG, в которой в качестве одного из электродов используется PLA, обычный биоразлагаемый полимер. В ходе лабораторных испытаний они обнаружили, что он может заряжать другое устройство по воздуху на расстоянии до 16 футов.

Группа микроинженеров Юргена Бруггера в Швейцарии занимается разработкой гибридных генераторов, сочетающих трибоэлектрические и пьезоэлектрические материалы. (Пьезоэлектрические материалы генерируют ток при изгибе или деформации.) «Если кто-то хочет получить максимальную энергию от любой части устройства, нужно объединить эти различные механизмы сбора», — говорит он.

Нельсон Сепульведа из Мичиганского государственного университета разделяет мнение Вана о том, что мир богат потраченной впустую энергией. В конце 2016 года он развил эту идею, разработав FENG — ферроэлектретный наногенератор. Он работает в основном так же, как TENG, за исключением того, что вам не нужно ничего делать для создания заряда; материалы могут уже иметь встроенные электрические заряды. Когда заряженные материалы сжимаются, электрические заряды смещаются, создавая дисбаланс, который создает ток.

Группа Сепульведы использовала FENG для создания флага штата Мичиган, который собирает энергию, развеваясь на ветру, а затем может использоваться как громкоговоритель, который воспроизводит школьную боевую песню. Он также может работать в другом направлении, как микрофон. Как и группа Вана, они также разработали клавиатуру, которая собирает энергию нажатий клавиш с помощью статического электричества.

Future Shock

Трибоэлектричество предлагает четкий способ решения существующих энергетических проблем с помощью материалов. «Если вам не нужен новый материал, зачем его изобретать?» муз Рамакришна Подила, физик из Университета Клемсона в Южной Каролине. И это решение может вскоре прийти к гаджету рядом с вами.

В Китае стартап Вана, NairTENG, уже продает воздушные фильтры с трибоэлектрическим приводом и планирует выпустить обувь на основе TENG с портами для зарядки ваших устройств в ближайшие два года. Скоро аккумулятор вашего телефона можно будет зарядить легкой прогулкой. Ванг предсказывает, что трибоэлектрические устройства могут появиться в США в течение пяти лет.

Однако, как и во многих новых технологиях, успех или неудача трибоэлектриков в качестве основного источника энергии зависит от того, насколько хорошо их приложения могут масштабироваться и выдерживать более грязные условия, чем первоначальная лаборатория. Пластиковые сферы Вана должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать непогоду, и быть специально разработанными, чтобы не мешать морской жизни. Кроме того, неясно, можно ли их производить в огромных количествах, о которых мечтает Ван.

(Источники, по часовой стрелке слева: Роб Фелт, Технологический институт Джорджии, Лаборатория Чжун Линь Вана, Технологический институт Джорджии)

Некоторые исследователи даже не убеждены, что у трибоэлектриков есть будущее за пределами портативных устройств. Но, возможно, самый большой открытый вопрос, нависший над ТЭНами, заключается в том, почему они вообще работают. Учителя физики средней школы и преподаватели колледжей говорят студентам, что материалы обмениваются зарядами, ссылаясь на такие термины, как сродство к электрону. Но на самом деле, говорит Подила, ученые не очень понимают, почему эти заряды движутся. Некоторые физики считают, что отдельные заряженные частицы, такие как электроны, перескакивают из одного материала в другой; другие утверждают, что прыгают целые заряженные молекулы, называемые ионами.