211service.com
Skörda kraft från havet
Forskare från SRI International , baserat i Menlo Park, CA, avslutade nyligen de första havstesterna av ett system som använder en så kallad konstgjord muskel för att generera kraft från rörelsen av en boj som rider upp och ner på vågorna. Även om prototypen producerar väldigt lite elektricitet, säger forskarna att vågparker baserade på tekniken så småningom kan konkurrera med vindkraftverk i effekt, vilket ger en betydande källa till ren energi.
Vågkraft: En boj som genererar elektricitet från vågrörelser. Den genomskinliga cylindern i mitten av bojen (se nedersta bilden) innehåller en rulle av gummiliknande material som sträcker sig och drar ihop sig när bojen guppar upp och ner, separerar och för samman elektroder.
Teknik för att utnyttja havets energi finns redan, men den har inte blivit allmänt antagen, till stor del för att den har svårt att motstå vågornas dunk. Det nya systemet kan visa sig vara både billigare och mer tillförlitligt, säger forskarna.
Tidigare system använde mer konventionella elektromagnetiska enheter, såsom dynamo med komplexa transmissioner, hydrauliska kolvar och turbiner. Speciellt växlarna i en transmission är känsliga för slitage från oregelbundna havsvågor.
Däremot är SRI-systemet inte mycket mer än ett gummiark fäst på en vikt. Det har den mekaniska komplexiteten som ett gummiband, säger SRI seniorforskare Roy Kornbluh. Som en konsekvens är den bättre i stånd att absorbera chock av vågor, säger Yoseph Bar-Cohen , en senior forskare vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory, i Pasadena, CA. Dessutom, tillägger Bar-Cohen, är materialen som systemet är tillverkat av billiga, vilket kan hjälpa det att konkurrera i pris med andra elkällor.
Multimedia
Video: Power Booy
Det polymerbaserade systemet i hjärtat av den nya generatorn är en variant av en konstgjord muskel – en enhet som utvecklats som ett alternativ till elmotorer i applikationer som robotar. En konstgjord muskel kommer att expandera eller dra ihop sig när en spänning appliceras på den, men samma process kan fungera omvänt: om muskeln sträcks av en yttre kraft, kan den generera elektricitet. För några år sedan utvecklade SRI en liten enhet som, inbäddad i hälen på en sko, gjorde det möjligt för bäraren att ladda en mobiltelefon helt enkelt genom att gå. Systemet för vågskörd är i grunden en större version av samma teknik.
SRI-forskarna byggde sin generator genom att lägga in ett kommersiellt tillgängligt gummiartat material mellan två elektroder, som själva är gjorda av en fet polymer som innehåller ledande material. Gummiduken och elektroderna rullas sedan ihop, som en rulle, för att bilda ett ihåligt rör. När röret dras av en yttre kraft sträcks gummiskiktet tunt, vilket minskar gapet mellan elektroderna. Till en början applicerar ett litet batteri en spänning över elektroderna; när gummit fjädrar tillbaka till sin ursprungliga form, tvingar det isär elektroderna, vilket ökar spänningen mellan dem. Denna överskottsenergi kan sugas bort för att generera en ström. En del av den strömmen matas tillbaka in i systemet, så batteriet används endast under den första cykeln.
Forskarna testade nyligen systemet utanför Floridas kust. Ett par kvadratmeter gummi rullat till formen av ett ihåligt rör fästes på en vikt och monterades i mitten av en boj. När bojen guppar i vattnet får den vikten att stiga och falla, vilket upprepade gånger sträcker ut gummit och låter det studsa, vilket genererar elektricitet.
Hittills producerar denna prototyp bara cirka fem watt effekt - tillräckligt för en liten glödlampa. Men eftersom gummit är tunt – cirka 0,1 millimeter tjockt – är det möjligt att rulla ihop mycket mer av det och ändå passa in det i samma boj. Ett gummibunt cirka en meter långt och en halv meter tjockt, med optimerad elektronik och en förbättrad bojdesign, skulle kunna generera en kilowatt elektricitet, säger Kornbluh. En sträng av bojar eller större flytande strukturer skulle då kunna generera avsevärda mängder elektricitet. (Tusen bojar kan driva cirka 750 hus.) En alternativ design kan innebära nedsänkta gummiskivor som genererar kraft eftersom kraften från strömmar eller tidvatten får dem att flacka fram och tillbaka. Ett sådant system kan visa sig mer motståndskraftigt än de turbiner som nyligen användes i East River i New York: deras mekaniska delar visade sig oförmögna att motstå tidvattenkrafter.
SRI-systemet producerar höga spänningar, i intervallet en kilovolt. Det var ett problem för skogeneratorn, som krävde en transformator för att minska spänningen tillräckligt för att den inte skulle steka mobiltelefoner och andra enheter men ändå måste passa i en sko. Men för bojapplikationen är högspänning en fördel, eftersom det gör det mer effektivt att överföra el tillbaka till land längs undervattenskablar. Den största utmaningen framåt, säger forskarna, är att utveckla en pålitlig tillverkningsprocess. Deras senaste tester av systemet underströk också vikten av att designa nya bojar som svarar på vågor på bästa sätt för att generera kraft. Och de kommer att behöva designa elektronik som, genom att variera spänningen över polymeren, kan modifiera systemets styvhet för att anpassa sig till olika väderförhållanden.
Systemets första kommersiella applikationer kommer sannolikt att vara i system för att driva navigations-, kommunikations- och sensorbojar, och dessa kan komma inom två år, uppskattar Kornbluh. Men det kan dröja fem till tio år innan systemet kan byggas upp för storskalig elproduktion.
Det är väldigt spännande, säger Ray Baughman , professor i kemi vid University of Texas i Dallas. Det är en lovande riktning för att skörda energi, inte bara för avlägsna enheter i havet utan kanske också för större energiskörd.