Le potentiel de l’énergie des gouttes de pluie grâce aux nano-générateurs triboélectriques

Lorsque les gouttes de pluie s’écrasent sur le sol, elles dégagent une infime quantité d’énergie qui peut être captée et convertie en électricité. Cette technologie, bien que minuscule comparée à l’hydroélectricité, représente un potentiel remarquable de production d’énergie propre et renouvelable. Cependant, la mise à l’échelle de cette technologie s’est avérée complexe, limitant ainsi son utilisation pratique.

La collecte d’énergie à partir de gouttes de pluie

Pour récupérer l’énergie dégagée par les gouttes de pluie, un dispositif nommé nanogénérateur triboélectrique (TENG), qui utilise l’électrification par contact liquide-solide, s’est avéré efficace. Cette technologie permet également de récolter de l’énergie à partir de vagues et d’autres formes de génération d’énergie triboélectrique liquide-solide.

Cependant, le TENG basé sur les gouttes d’eau (D-TENG) présente une limitation technique lors de la connexion de plusieurs de ces panneaux, réduisant ainsi la puissance globale.

Un nouvel essai pour une efficacité accrue

Une étude récemment publiée présente une solution pour rendre la récolte d’énergie de pluie plus efficace : le modèle D-TENG, conçu à l’image des panneaux solaires, pourrait étendre ses applications. L’étude a été publiée dans la revue iEnergy.

« Bien que les D-TENG aient une puissance de sortie instantanée ultra-élevée, il est encore difficile pour un seul D-TENG d’alimenter en continu un équipement électrique de niveau mégawatt. Par conséquent, il est essentiel de pouvoir utiliser simultanément plusieurs D-TENG », a déclaré Zong Li, professeur à la Tsinghua Shenzhen International Graduate School de l’Université Tsinghua à Shenzhen, en Chine. « En nous inspirant de la conception des panneaux solaires, où plusieurs unités de production d’énergie solaire sont connectées en parallèle pour alimenter la charge, nous proposons une méthode simple et efficace pour la collecte d’énergie de pluie. »

Surmonter les problèmes techniques

Quand plusieurs D-TENG sont connectés, une capacité de couplage non intentionnelle se produit entre l’électrode supérieure et l’électrode inférieure des panneaux, réduisant la puissance de sortie des réseaux de D-TENG. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont proposé des générateurs en réseau en pont, qui utilisent des électrodes inférieures de réseau pour réduire l’influence de la capacité de couplage.

Quand une goutte de pluie tombe sur la surface du panneau, une processus appelé triboélectrification produit et stocke l’énergie de la pluie. Lorsque la goutte tombe sur la surface du panneau, appelée surface FEP, la goutte se charge positivement, et la surface FEP se charge négativement.

« La quantité de charge générée par chaque goutte est faible et la charge de surface sur le FEP se dissipe progressivement. Après un certain temps sur la surface, les charges sur la surface FEP s’accumulent progressivement jusqu’à saturation », a précisé Zong Li. « À ce stade, le taux de dissipation de la charge de surface du FEP est équilibré avec la quantité de charge générée par chaque impact de la goutte. »

Une avancée significative dans la collecte d’énergie de pluie

Pour démontrer le succès des générateurs en réseau en pont, le D-TENG conventionnel a été comparé aux générateurs en réseau en pont. Les chercheurs ont également comparé les performances des générateurs en réseau en pont avec différentes tailles de sous-électrodes. L’épaisseur des panneaux a également été étudiée pour voir si cela avait un effet sur la perte de puissance.

Augmenter l’épaisseur de la surface FEP a conduit à une diminution de la capacité de couplage tout en maintenant la densité de charge de surface, ce qui pourrait améliorer les performances du générateur en réseau en pont.

Quand les générateurs en réseau en pont ont été développés pour la collecte d’énergie de pluie et ont utilisé des électrodes inférieures de réseau et des structures de reflux de pont, les panneaux de collecte de pluie pourraient être indépendants les uns des autres. Cela signifie que la perte de puissance non intentionnelle pourrait être réduite.

« La puissance maximale de sortie des générateurs en réseau en pont est près de 5 fois supérieure à celle de l’énergie de pluie de grande surface conventionnelle de la même taille, atteignant 200 watts par mètre carré, ce qui montre pleinement ses avantages en matière de collecte d’énergie de pluie de grande surface. Les résultats de cette étude fourniront une solution viable pour la collecte d’énergie de pluie à grande échelle », a conclu Zong Li.

En synthèse

En se basant sur l’électrification par contact liquide-solide, le nanogénérateur triboélectrique (D-TENG) offre une approche prometteuse pour capter l’énergie dégagée par les gouttes de pluie. Cependant, l’interconnexion de ces dispositifs présente des défis techniques qui ont limité leur efficacité globale.

Une nouvelle étude propose une solution pour surmonter ces défis, inspirée de la conception des panneaux solaires, qui pourrait améliorer significativement la performance de ces dispositifs et élargir leur application. Les résultats de l’étude sont prometteurs et pourraient représenter une avancée significative dans la collecte d’énergie de pluie à grande échelle.

Les autres contributeurs sont Bin Cao et Liming Wang de la Tsinghua Shenzhen International Graduate School de l’université de Tsinghua, Zhonghao Zhang de l’Institut de recherche sur l’énergie électrique de Chine à Pékin et Zhong Lin Wang de l’Institut de la nanoénergie et des nanosystèmes de Pékin de l’Académie chinoise des sciences à Pékin.

Cette recherche a été financée par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (52007095).