Умные окна с трибоэлектрическим эффектом

Колесник В.В. – преподаватель электротехнических дисциплин

ОСП «Индустриальный техникум» ГОУ ВПО ЛНР «Донбасский государственный технический университет», г. Алчевск

УМНЫЕ ОКНА С ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ЭФФЕКТОМ

Аннотация. "Умное" стекло, которое меняет свои свойства, чтобы блокировать свет или тепло, разрабатывается уже в течение многих десятилетий. Среди примеров практического применения — антибликовое стекло автомобильных окон и зеркал, а также окна, которые меняют затемнённость для экономии энергии. Как правило, смарт-стёкла стоят достаточно дорого, к тому же исследователи до сих пор ищут способы сделать такое стекло полностью экологически безопасным.

Ключевые слова. Умное стекло, трибоэлектрический эффект, прозрачный пластик, силиконовый материал, полидиметилсилоксан.

Введение. Невозможно представить себе жилой дом без окон. Они пропускают естественный дневной свет и имитируют наличие открытого пространства, что, безусловно, важно для психологического комфорта любого человека.

С одной стороны, надежно защищают обитателей квартиры от воздействия неблагоприятной городской среды. А с другой - охраняют природу от человека, так как помогают расходовать меньше энергии на обогрев жилища, сокращая, таким образом, количество вредных выбросов в атмосферу.

Основная часть. Сегодня уже успешно используется технология "умных" стекол, которые могут менять прозрачность и даже цвет по требованию в зависимости от погоды и настроения хозяина.

Исследователи разработали стекло, которое меняет оттенок благодаря энергии, которую оно получает от ветра и осадков. Такой подход предлагает альтернативу прочим "умным" окнам, которые питаются от аккумуляторов, солнечных панелей и электросети. Инновации представляют собой новый вид возобновляемого источника энергии.

Новое стекло использует наноразмерные генераторы, вырабатывающие ток благодаря трибоэлектрическому эффекту.

Трибоэлектрический эффект является следствием статического электричества, понятие которого практически всем известно еще со школы.

Интересная идея по применению подобного явления пришла в головы ученым из Технологического института в Джорджии во гаве с Чжун Ваном. Они собрали маленький генератор, работающий на основе трибоэлектрического эффекта, который сможет в небольшом количестве производить электричество при любом механическом воздействии.

Этот эффект заключается в том, когда два различных материала неоднократно контактируют друг с другом своими поверхностями, то один материал "крадет" электроны у другого, создавая электрический потенциал. И такое явление можно поставить на службу людям, превратив его в дешевый, легкий и безвредный для окружающей среды метод получения электрической энергии, которой можно питать малопотребляющие портативные и носимые электронные устройства.

С одного квадратного сантиметра им удалось получить напряжение в 18 вольт при силе тока 0,13 мкА. Это объясняется тем, что пирамидальная структура создает воздушные пустоты между материалами, что делает проще процесс разделения зарядов.

Генераторы расположены двумя слоями на поверхности оконного стекла. Они создают электрический ток, который придаёт стеклу тёмно-синий оттенок.

Первый слой генераторов создаёт статическое электричество во время дождя. Когда капля падает из облака, контакт воды и воздуха заставляет положительный заряд скопиться внутри капли. Стекло покрыто наноскопическими пирамидами, изготовленными из отрицательно заряженного силиконового материала полидиметилсилоксана. Когда капля, несущая положительный заряд, попадает на "отрицательное" стекло, генерируется электрический ток.

Второй слой наногенераторов пролегает прямо под первым и собирает энергию ветра. Этот слой состоит из двух пластов заряженного прозрачного пластика, разделённых наноскопическими витыми пружинами. Когда ветер ударяет в стёкла, пружины сжимаются и создают электрический ток благодаря тому, что заряженные пластиковые пластины приближаются друг к другу.

В экспериментах стекла, вырабатывающего до 130 милливатт на квадратный метр, этого оказалось достаточно, чтобы питать кардиостимулятор или смартфон в режиме с выключенным экраном. Такой выход электричества может быть использован различными приложениями и электроникой в доме и офисе.

Однако прежде, чем стекло будет готово для коммерческой реализации, разработчикам предстоит ещё многое сделать. Например, стекло не может хранить энергию, которую создаёт. Решить эту проблему можно с помощью прозрачных суперконденсаторов. Также команда планирует повысить энергоэффективность своих наногенераторов.

Ветропотенциал Луганского региона достаточно высокий. Были проведены ветроизмерения, в ходе которых было установлено, что на нашей территории дует ветер не ниже 7,4 м/сек., и отсутствует только 5 или 6 или дней в году. Максимальное среднегодовое количество осадков 550мм. То есть для проектов, связанных с трибоэлектрическим эффектом, наш регион коммерчески привлекателен.

Заключение. Таким образом "умные" окна теперь умеют сами отталкивать грязь, затемняться от солнца и удерживать тепло. А есть и такие окна, которые даже греют. Причем по-настоящему. Такие окна имеют специальную теплоизлучающую пленку, а теперь еще и вырабатывают электричество.

В общем, окно теперь не просто застекленный проем, а вполне себе самостоятельный бытовой прибор

Литература.

1. https://habr.com/ru/company/ua-hosting/blog/425163/

2. http://fb.ru/article/254213/umnyie-stekla-s-izmenyaemoy-prozrachnostyu-preimuschestva-i-nedostatki