navbar.frm 20190426 /navigation.nav
Groot onderhoud . . . Ronde elke zondag 11:00 145.475 MHz . . . Wekelijkse ether ontmoetingen donderdag avond 20:30 uur 145.450 Mhz . . .
W
Niels Mendel met injectie spuit
Niels Mendel met injectie spuit

Stromend water is een welbekende methode om elektriciteit op te wekken. Maar met waterdruppels is dat een ander verhaal. Aan de Universiteit van Twente wordt aan deze laatste methode met succes gewerkt.

Bruikbare conversie van stromend water kennen we al van waterkracht centrale. Ook de natuur verrast ons in onweersbuien met enorme energie uitbarstingen als gevolg van de beweging van regendruppels.

Benjamin Franklin demonstreerde in 1752, met zijn levensgevaarlijk vlieger-experiment tijdens een onweersbui, dat bliksem een vorm van elektriciteit is. Hij beredeneerde toen dat de lading in de wolken daar door regendruppels naar toe werd getransporteerd.

Promovedus Niels Mendel van het onderzoek team van de Universiteit van Twente maakt met, een nieuwe techniek, kleinschalig gebruik van een stroom waterdruppels om elektrische energie op te wekken.

Hun elektrische generator kan worden beschouwd als een permanent opgeladen wordende condensator. Zij injecteerden ladingen in een isolerende laag van deze condensator door een nieuwe laadmethode toe te passen. Hierbij wordt het oppervlak van de condensator bevochtigd door elektrisch geladen waterdruppels - electrowetting.
De elektrische stroom ontstaat bij de impact van een druppel. Daarbij treedt dan door ladingsverschuiving een elektrische stroom.

In hun opstelling druppelt een waterdruppel uit de punt van een injectiespuit en valt op een kleine zwarte, glanzende plaat van ongeveer twee keer drie centimeter. Vlak voordat het de plaat raakt, wordt de druppel plat. Een dunne, zilverdraad, net boven het oppervlak van de plaat, wordt dan gebruikt om op een oscilloscoop de spanningspuls aan te tonen.

Hoewel de technologie efficient is, zijn er serieuze complicaties om substantiele hoeveelheden energie op te wekken met deze methode’, zegt Niels.
Maar met enkele aanpassingen is het ontwerp ook geschikt om elektriciteit op te wekken uit andere bronnen van mechanische energie dan regendruppels. Hierdoor is de toepassing in kleine draagbare apparaten, zoals horloges, mogelijk. Wel is er meer onderzoek nodig om een echte generator te ontwerpen die efficiënt genoeg energie uit regen kan halen.

De grootte van deze stroom wordt bepaald door het aantal geïnjecteerde ladingen. Door gebruik te maken van composiet materiaal konden de onderzoekers het aantal geïnjecteerde ladingen erg verhogen.

De onderzoekers slaagden erin om 11,8 procent van de mechanische energie van een vallende druppel om te zetten in elektrische energie, wat een aanzienlijke verbetering is ten opzichte van de efficiëntie van vergelijkbare apparaten. (waterkracht centrales hebben een energetisch omzettings rendement tussen 40 en 75 procent)

Hoe werkt het

De plaat - condensator - bestaat uit drie lagen met elk verschillende eigenschappen. Tussen een Teflon toplaag en een geleidende gedoteerde onderlaag zit een middelste laag van niet-geleidend siliciumoxide ingeklemd.
Om de plaat als condensator te laten werken, wordt vooraf een extra elektrische, negatieve lading in de teflon toplaag geïnjecteerd.
Wanneer een waterdruppel langs de Teflon-bovenlaag van de plaat loopt en de draad raakt, wordt een elektrische verbinding tussen de boven- en onderlaag tot stand gebracht. Door de overtollige negatieve lading in de bovenste laag stroomt de positieve lading van de onderste laag deels door de draad in de waterdruppel - er wordt een elektrische stroom opgewekt.

Hoe groter het contactoppervlak tussen waterdruppel en teflon laag, hoe meer lading van onder naar boven stroomt, hetgeen resulteert in een grotere stroom. Terwijl de waterdruppel langzaam van de plaat stroomt, stroomt de lading terug naar de onderste laag, dat veroorzaakt in een tweede stroom in tegengestelde richting.

Deze nieuwe methode is tamelijk efficiënt. Met de huidige opstelling wordt ongeveer twaalf procent van de mechanische energie van de druppel omgezet in elektriciteit, ongeveer zeventig procent van het rendement van zonnepanelen.
Maar de efficiëntie kan drastisch worden verbeterd. Bijvoorbeeld door het contactoppervlak van de druppel met de plaat te vergroten, wat resulteert in een grotere ladingsoverdracht. .
De meest effectieve manier om de efficiëntie te optimaliseren, is echter door de aangebrachte lading in de toplaag te verhogen. ‘Een verdubbeling van de lading resulteert in een viervoudige toename van de efficiëntie, ruwweg tot veertig tot vijftig procent, meer dan het dubbele van het rendement van zonnepanelen.

Helaas, de belangrijkste beperkende factor om de nieuwe technologie breed toe te passen en op grote schaal elektriciteit op te wekken, is dat het in Nederland gewoon niet zo vaak regent. Zelfs wanneer ze in een regenwoud worden geplaatst, zou de ongeveer vijf keer winst in energieopwekking niet voldoende zijn om te concurreren met zonnepanelen in Nederland.

(Univ Twente, met dank aan PA0PAM 2020/10/17 )

Referenties, meer informatie:
Univ Twente Energie opwekken met druppels
Onderwerpen
ApparatuurApparatuur UitvindingUitvinding NatuurkundeNatuurkunde GeschiedenisGeschiedenis EnergieEnergie