Alors que l’activité économique mondiale a progressivement repris après la pandémie Covid en corrélation avec une demande en électricité toujours plus forte, la récupération des énergies qui dépendent de la météo pourrait être essentielle dans une perspective de durabilité et de neutralité carbone.
Les sources d’énergie ambiantes comme la chaleur solaire, les fluctuations du vent, la chaleur du sol, les variations d’humidité et les gouttes de pluie, sont omniprésentes et restent dépendantes toutefois de la saison ou du climat.
Le défi de la collecte d’énergie
Récemment, la densité de puissance de sortie de 10 à 1000 μW m-2 pour la seule collecte de chaleur solaire à l’aide de pyroélectriques a été réalisée.
Ces dispositifs planaires conventionnels capturent la chaleur solaire de manière homogène, limitée par la propagation simultanée et uniforme du champ thermique sur l’ensemble du dispositif, entraînant une faible variation de la température temporelle et un changement de polarisation.
Par ailleurs, ce diélectrique plat n’est pas réalisable pour la génération de triboélectricité basée sur les gouttes de pluie, car l’induction électrostatique et la tribo-électrification dépendent de la variation de la zone de glissement de l’eau temporelle pendant le processus de contact/séparation liquide-solide.
Une nouvelle approche
Pour contourner ces obstacles, d’autres alternatives de collecte d’énergie utilisant des diélectriques en vrac non planaires ou courbés pour obtenir une propagation inhomogène de la chaleur locale et du champ électrostatique en vue d’améliorer la pyroélectricité et la production de triboélectricité sont urgentes à développer pour la récupération d’énergie adaptée à la météo.
Résultats de l’étude
Dans un nouvel article de recherche publié dans la National Science Review basée à Pékin, Yi Zhou, en collaboration avec les directeurs de laboratoire Prof. Jiaqing He (Southern University of Science and Technology) et Prof. Ghim Wei Ho (National University of Singapore), s’interrogent sur la manière dont les diélectriques non plats ou non planaires avec des degrés élevés de liberté structurelle contribuent à la collecte d’énergie environnementale adaptée à la météo, par exemple, les jours ensoleillés, nuageux, nocturnes et pluvieux.
En synthèse
L’équipe présente un nouveau paradigme pour «tuer deux oiseaux avec une pierre» en utilisant des diélectriques non planaires pour surmonter l’indépendance des collecteurs d’énergie traditionnels de la chaleur environnementale et des gouttes de pluie.
Ils ont découvert que les diélectriques multicouches non planaires confinent la propagation de la chaleur solaire locale le long de la direction du plan, augmentant ainsi la polarisation spatiale non uniforme et la pyroélectricité.
Parallèlement, cette configuration non planaire avec une architecture courbée et une morphologie texturée favorise la propagation et la séparation des gouttes d’eau, augmentant ainsi les charges électrostatiques induites globales en vue d’une triboélectricité accrue.
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En conséquence, sans consommer d’énergies supplémentaires de chaleur solaire et de gouttes de pluie, ou en adaptant les propriétés des diélectriques, le générateur non planaire se compose de plastiques largement utilisés (fluoropolymère et Teflon), permettant une collecte d’énergie rentable de la chaleur solaire et des gouttes de pluie avec une augmentation de la puissance de sortie de 174,3% et 65,4%, respectivement, selon la mesure en laboratoire.
En association avec des techniques de fabrication à grande échelle, les chercheurs ont également effectué des tests en plein air in situ les jours ensoleillés, nuageux, nocturnes et pluvieux pour la collecte d’énergie tous temps.
« Ces résultats ouvrent non seulement une nouvelle voie pour la récupération de la chaleur/rain environnementale, mais aussi pour l’inspiration dans d’autres recyclages d’énergie à haute entropie« , explique Yi Zhou.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que la collecte d’énergie environnementale dépendante de la météo ?
La collecte d’énergie environnementale dépendante de la météo fait référence à l’exploitation des sources d’énergie ambiantes, comme la chaleur solaire, l’énergie éolienne et l’énergie de la pluie, qui varient en fonction des conditions météorologiques et des cycles diurnes.
Quels sont les défis de la collecte à partir de la chaleur solaire et des gouttes de pluie ?
Les dispositifs traditionnels capturent la chaleur solaire de manière homogène, ce qui limite la variation de la température et du changement de polarisation. De plus, ces dispositifs ne sont pas adaptés pour la génération de triboélectricité basée sur les gouttes de pluie, car l’induction électrostatique et la tribo-électrification dépendent de la variation de la zone de glissement de l’eau.
Quelle est la nouvelle approche proposée pour la collecte d’énergie ?
La nouvelle approche consiste à utiliser des diélectriques non planaires ou courbés pour obtenir une propagation inhomogène de la chaleur locale et du champ électrostatique, afin d’améliorer la pyroélectricité et la production de triboélectricité.
Quels sont les résultats de l’étude menée par Yi Zhou et son équipe ?
L’équipe a découvert que les diélectriques multicouches non planaires confinent la propagation de la chaleur solaire locale le long de la direction du plan, augmentant ainsi la polarisation spatiale non uniforme et la pyroélectricité. Cette configuration non planaire favorise également la propagation et la séparation des gouttes d’eau, augmentant ainsi les charges électrostatiques induites globales pour une triboélectricité accrue.
Quelles sont les implications de ces résultats ?
Ces résultats ouvrent une nouvelle voie pour la récupération de la chaleur et de l’énergie de la pluie environnementales, et pourraient inspirer d’autres formes de recyclage d’énergie à haute entropie.
Principaux enseignements
| Enseignements |
|---|
| La collecte d’énergie environnementale dépendante de la météo est essentielle pour la durabilité du carbone. |
| Les dispositifs planaires conventionnels présentent des limites pour la collecte de chaleur solaire et la génération de triboélectricité basée sur les gouttes de pluie. |
| Les diélectriques non planaires ou courbés peuvent permettre une propagation inhomogène de la chaleur locale et du champ électrostatique. |
| Les diélectriques multicouches non planaires peuvent augmenter la polarisation spatiale non uniforme et la pyroélectricité. |
| Les diélectriques non planaires peuvent favoriser la propagation et la séparation des gouttes d’eau, augmentant ainsi les charges électrostatiques induites globales. |
| L’utilisation de diélectriques non planaires peut permettre une augmentation de la puissance de sortie de 174,3% et 65,4% pour la collecte d’énergie solaire et pluviale, respectivement. |
| Les résultats de cette étude ouvrent une nouvelle voie pour la récupération de la chaleur et de l’énergie de la pluie environnementales. |
Références
Article : « Non-planar dielectrics derived thermal and electrostatic field inhomogeneity for boosted weather-adaptive energy harvesting ». National Science Review. https://doi.org/10.1093/nsr/nwad186
