Nanogénérateur triboélectrique à vortex pour l’énergie éolienne multidirectionnelle

« Nous proposons un nanogénérateur triboélectrique basé sur des vibrations induites par vortex (VIV-TENG) pour permettre une récolte efficace de l’énergie éolienne sous faible vitesse de vent et conditions environnementales complexes », explique le professeur Chuyan Zhang de l’Université des Géosciences de Chine (Pékin). 

Une nouvelle stratégie pour la récolte d’énergie éolienne distribuée

Avec la demande croissante d’énergie propre, la récolte d’énergie éolienne distribuée dans les environnements urbains attire de plus en plus l’attention. Cependant, les éoliennes conventionnelles sont souvent limitées par leur taille importante, leur coût élevé et leurs exigences strictes d’installation, ce qui les rend inadaptées aux applications à petite échelle et décentralisées.

Les nanogénérateurs triboélectriques (TENG), pionniers de Wang Zhonglin, offrent une alternative prometteuse grâce à leurs avantages dans la récolte d’énergie basse fréquence. Néanmoins, les conceptions existantes de TENG actionnés par le vent sont toujours confrontées à des défis tels que faible efficacité à basse vitesse de vent, mauvaise adaptabilité aux flux d’air multidirectionnels, usure mécanique et dégradation des performances dans les environnements humides. 

Les vibrations induites par vortex permettent une conversion d’énergie stable

Pour surmonter ces limitations, l’équipe de recherche a développé un VIV-TENG qui utilise les vibrations induites par vortex au lieu des mécanismes rotatifs ou de battement conventionnels. Lorsque le flux d’air traverse le dispositif, le détachement périodique des vortex induit des oscillations de l’axe central, ce qui entraîne plusieurs unités TENG à produire de l’électricité.

« Le mécanisme de vibration induite par vortex permet au dispositif de fonctionner sans composants rotatifs, réduisant l’usure mécanique tout en maintenant une sortie stable sous un flux d’air multidirectionnel », explique l’équipe de recherche.

Le dispositif présente une structure symétrique avec plusieurs unités TENG disposées autour d’un axe central, permettant une collecte efficace de l’énergie éolienne à partir de différentes directions. De plus, une conception encapsulée améliore sa robustesse environnementale. 

Sortie efficace sous faible vitesse de vent et humidité élevée

Les résultats expérimentaux montrent que le VIV-TENG atteint des performances de sortie stables sur une large plage de vitesses de vent. À une vitesse de vent de 3,5 m/s, le dispositif atteint une tension de circuit ouvert de crête de 82,9 V et un courant de court-circuit de 13 μA.

Notablement, le dispositif peut fonctionner à une faible vitesse de vent de démarrage de 0,9 m/s. Il peut également charger un condensateur de 47 μF à 2 V en une minute.

De plus, le dispositif maintient des performances stables dans des environnements humides. La puissance de sortie moyenne maximale atteint 49,5 μW à 45 % d’humidité relative et reste à 45,5 μW même à 85 % d’humidité, démontrant une adaptabilité environnementale. 

Vers des systèmes autonomes dans les environnements urbains

Le dispositif montre un potentiel pour des applications pratiques. Il peut alimenter plusieurs LED, piloter de petits appareils électroniques comme des horloges et soutenir des systèmes de capteurs autonomes.

Les résultats suggèrent que le dispositif proposé pourrait constituer une approche réalisable pour la récolte d’énergie éolienne distribuée et les systèmes autonomes.

Cette étude offre une voie possible pour l’utilisation de l’énergie éolienne à faible vitesse dans des environnements complexes et indique le potentiel des technologies basées sur les TENG dans les systèmes énergétiques urbains. 

Article : Vortex-driven triboelectric nanogenerator for multidirectional wind energy collection with humidity resistance – Journal : iEnergy – DOI : Lien vers l’étude

Source : Tsinghua U.