Un générateur d’électricité à gouttes d’eau

On a déjà déployé de nombreux efforts pour récupérer de l’énergie à partir de divers mouvements d’eau comme, par exemple, les gouttes de pluie, les vagues de la mer et les marées. Mais, pour obtenir une densité de puissance électrique suffisante, on a eu recours à des  dynamos ou alternateurs lourds et encombrants qui nécessitaient un fort débit d’eau pour actionner les turbines et devenaient totalement inefficaces à faible écoulement. A l’opposé, des générateurs à gouttelettes d’eau fonctionnant par triboélectricité n’ont jusqu’ici fourni que des densités d’énergie inférieures au watt par mètre carré.

La triboélectricité est le phénomène électrostatique créé par le frottement de deux matériaux différents. A la mise en contact, une partie des électrons d’un des deux matériaux est transféré sur l’autre. A la séparation, ce transfert subsiste et les 2 matériaux sont chargés avec des signes opposés.

Des chercheurs de  l’University of Hong Kong, Hong Kong, Chine l’University of Technology of China, Hefei, Anhui, Chine, de l’University of Nebraska, Lincoln, USA, de l’University of Technology of China, Hefei, Anhui, Chine, de l’University of Science and Technology of China, Chengdu, Chine, et de la Chinese Academy of Science, Beijing, Chine ont mis au point un dispositif qui collecte l’énergie de gouttelettes d’eau en chute libre avec une efficacité supérieure de plusieurs ordres de grandeur à celle des dispositifs triboélectriques existant jusque là.

 

 

Le nouveau générateur d’électricité à gouttes d’eau (GEG)

Ce dispositif repose d’abord sur le fait que l’impact répété de gouttelettes d’eau sur un matériau isolantinduit au bout d’un certain nombre d’impacts une forte densité de charge constante à sa surface (Fig.2.a).
Un substrat en verre plat est recouvert d’une couche d’oxyde d’indium-étain  (en anglais  indium-tin oxide), ITO. Sur celle-ci est déposée une couche de polytétrafluoroéthylène (PTFE, excellent isolant connu aussi sous le nom de Téflon) munie, sur le côté, d’une électrode en aluminium (Fig.1.).

Fig.1. Schéma et photographie du générateur d'électricité à gouttes a)Diagramme du GEG b) Image optique de 4 dispositifs GEG parallèles réalisés sur une même lame de verre. Le volume de chaque goutte est de 100 µl. Tiré de A droplet-based electricity generator with high instantaneous power density Wanghuai Xu, Huanxi Zheng, Yuan Liu, Xiaofeng Zhou, Chao Zhang, Yuxin Song, Xu Deng, Michael Leung, Zhengbao Yang, Ronald X. Xu, Zhong Lin Wang, Xiao Cheng Zeng & Zuankai Wang. Nature (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-1985-6. Avec autorisation

Fig.1. Schéma et photographie du générateur d’électricité à gouttes
a) Diagramme du GEG
b) Image optique de 4 dispositifs GEG parallèles réalisés sur une même lame de verre. Le volume de chaque goutte est de 100 µl.
Tiré de A droplet-based electricity generator with high instantaneous power density
Wanghuai Xu, Huanxi Zheng, Yuan Liu, Xiaofeng Zhou, Chao Zhang, Yuxin Song,
Xu Deng, Michael Leung, Zhengbao Yang, Ronald X. Xu, Zhong Lin Wang,
Xiao Cheng Zeng & Zuankai Wang. Nature  578, pages392–396(2020). Avec autorisation

Quand une goutte, électriquement neutre à l’origine, tombe vers la plaque PTFE chargée, elle est polarisée, c’est-à-dire que, sous l’effet du champ électrique créé par la plaque, des charges opposées sont induites en bas et en haut de la goutte. La chute va aussi déformer la goutte qui induira un déplacement de charges sur le PTFE et l’ITO. Lors de l’écrasement  de la gouttelette  sur la surface de PTFE, elle va, à la fin de celui-ci, toucher l’électrode d’aluminium, la  connectant ainsi avec le PTFE/ITO et fermant ainsi le circuit.

On observe alors une tension maximum sur la résistance intercalée dans le circuit. C’est ce qu’on voit sur la Fig.2 b sur la courbe rouge, la tension retombe ensuite à zéro avant de remonter à l’impact de la goutte suivante et ainsi de suite, ce qui crée une tension alternative à la fréquence des gouttes.

Fig.2. Charge et tension au cours du temps a) Au fur et à mesure que des gouttelettes impactent le dispositif de la Fig.1., la quantité de charges sur la surface du PTFE augmente jusqu'à une valeur constante dite de saturation. b) Courbe rouge, à droite : Dans les mêmes conditions expérimentales, après la saturation de la charge de surface, à la chute de chaque gouttelette la tension monte jusqu'à un maximum (ici de l'ordre de 150v) puis retombe à zéro jusqu'à l'impact de la goutte suivante. La fréquence de chute des gouttes est de 4,2 Hz, leur nombre de 84 et la hauteur de chute de 15 cm. La tension est mesurée entre l'ITO conducteur sous le PTFE et l'électrode d'aluminium. Courbe noire, à gauche : Même phénomène avec un dispositif de contrôle sans électrode d'aluminium. La fréquence des 20 gouttes est de 1 Hz. On voit que la génération d'électricité est de plus de deux ordres de grandeur plus petite que sur la courbe rouge. Tiré de A droplet-based electricity generator with high instantaneous power density Wanghuai Xu, Huanxi Zheng, Yuan Liu, Xiaofeng Zhou, Chao Zhang, Yuxin Song, Xu Deng, Michael Leung, Zhengbao Yang, Ronald X. Xu, Zhong Lin Wang, Xiao Cheng Zeng & Zuankai Wang. Nature (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-1985-6. Avec autorisation.

Fig.2. Charge et tension au cours du temps
a) Au fur et à mesure que des gouttelettes impactent le dispositif de la Fig.1., la quantité de charges sur la surface du PTFE augmente jusqu’à une valeur constante dite de saturation.
b) Courbe rouge, à droite : Dans les mêmes conditions expérimentales, après la saturation de la charge de surface, à la chute de chaque gouttelette la tension monte jusqu’à un maximum (ici de l’ordre de 150v) puis retombe à zéro jusqu’à l’impact de la goutte suivante. La fréquence de chute des gouttes est de 4,2 Hz, leur nombre de 84 et la hauteur de chute de 15 cm.
La tension est mesurée entre l’ITO conducteur sous le PTFE et l’électrode d’aluminium.
      Courbe noire, à gauche : Même phénomène avec un dispositif de contrôle sans électrode d’aluminium. La fréquence des 20 gouttes est de 1 Hz.
On voit que la génération d’électricité est de plus de deux ordres de grandeur plus petite que sur la courbe rouge.
Tiré de A droplet-based electricity generator with high instantaneous power density
Wanghuai Xu, Huanxi Zheng, Yuan Liu, Xiaofeng Zhou, Chao Zhang, Yuxin Song,
Xu Deng, Michael Leung, Zhengbao Yang, Ronald X. Xu, Zhong Lin Wang,
Xiao Cheng Zeng & Zuankai Wang. Nature  578, pages392–396(2020). Avec autorisation.

La vidéo ci-dessous a été réalisée avec le montage de la Fig.1.b.  Il alimente 400 DELs du commerce  qu’on voit s’allumer à la fréquence des impacts de gouttes :

Avec l’aimable autorisation du Pr. Zuankai WANG

La vidéo suivante détaille l’écrasement d’une goutte sur le GEG. Dès le contact de celle-ci avec la surface en PTFE et l’électrode en Al (bien visible à droite de l’image), il y a une augmentation rapide de la charge. Quand la goutte s’aplatit en s’élargissant, le transfert de charge entre l’ITO et l’électrode d’aluminium continue jusqu’à un maximum de 49,8 nC ( 49,8 nanocoulombs) correspondant à la surface maximum de la goutte. On voit qu’au bout de 16 ms (temps toff) la goutte d’eau est complètement détachée de l’électrode en Al et la charge de celle-ci retombée à zéro. Toute la charge a donc été transférée à l’ITO et le cycle va recommencer.

Avec l’aimable autorisation du Pr. Zuankai WANG

La vidéo suivante montre un montage simple de récupération d’eau de pluie alimentant un générateur d’électricité à gouttes d’eau

Avec l’aimable autorisation du Pr. Zuankai WANG
En ajustant le diamètre des tubes capillaires et la hauteur de chute, on peut contrôler avec précision la taille et la vitesse des gouttes impactant la rangée de GEGs. On doit admirer la simplicité de ce système qui convertit de l’énergie cinétique des  gouttes en énergie électrique.

Un montage similaire peut transformer un écoulement d’eau de mer en des gouttelettes discontinues. On pourrait ainsi générer de l’électricité à partir de divers écoulements d’eau

Pour en savoir plus :
Wanghuai Xu, Huanxi Zheng, Yuan Liu, Xiaofeng Zhou, Chao Zhang, Yuxin Song, Xu Deng, Michael Leung, Zhengbao Yang, Ronald X. Xu, Zhong Lin Wang, Xiao Cheng Zeng & Zuankai Wang.
Nature 578, pages392–396(2020).