قطرات الماء لإنتاج الطاقة الكهربائية

قطرات الماء لإنتاج الطاقة الكهربائية : بجهد 140 فولت ، و تضيء 100 مصباح LED

مولد كهرباء جديد قائم على تساقط قطرة الماء الصغيرة جداً droplet-based electricity generator:

مما لا شك فيه أن تكنولوجيا توليد الكهرباء من قطرات المطر بكفاءة  قد خطت خطوة أخرى نحو الأمام.

حيث قام فريق بحث بقيادة علماء من جامعة مدينة هونغ كونغ ( City University of Hong Kong (City  مؤخراً بتطوير مولد كهرباء قائم على القطيرات (قطرات صغيرة جداً من الماء) droplet-based  electricity generator (DEG) ، و يتميز هذا المولد بهيكل يشبه ترانزستور التأثير الميداني field-effect transistor (FET)-like الذي يسمح بتحويل الطاقة  بكفاءة عالية و زيادة كثافة الطاقة اللحظية آلاف المرات مقارنة بنظيراتها التي لا تملك بنية تشبه بنية ترانزستور التأثير الميداني (FET ) .

و هذا من شأنه أن يساعد على دفع عجلة البحث العلمي لتوليد الطاقة المائية و معالجة أزمة الطاقة.

و قد قاد البحث كل من البروفيسور وانغ تسوانكاي Wang Zuankai  من قسم الهندسة الميكانيكية في جامعة سيتي CityU's Department of Mechanical Engineering ، والبروفيسور تشنغ شياو تشينغ Zeng Xiao Cheng  من جامعة نبراسكا لينكولن University of Nebraska-Lincoln ، والبروفسور وانغ تشونغ لين Wang Zhong Lin ، و هو المدير المؤسس و كبير العلماء في معهد بكين لعلم النانو والطاقة النانوية في الأكاديمية الصينية للعلوم Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems of Chinese Academy of Sciences . و قد تم نشر نتائجهم في العدد الأخير من مجلة الطبيعة Nature .

التحسن الكبير في كفاءة تحويل الطاقة الكهربائية :

لم تعد الطاقة الكهرومائية Hydropower أمراً جديداً . إذ أن هناك حوالي 70% من سطح الأرض مغطى بالمياه.

و مع ذلك ، فلا يتم تحويل الطاقة الحركية منخفضة التردد الموجودة في الأمواج والمد والجزر وحتى قطرات المطر بكفاءة إلى طاقة كهربائية بسبب القيود الموجودة في التكنولوجيا الحالية.

فعلى سبيل المثال ، يمكن لمولد الطاقة الحبرية التقليدي conventional droplet energy generator القائم على التأثير الكهربي triboelectric effect أن يولد الكهرباء الناتجة عن كهربة التلامس  contact electrification والتحريض الكهروستاتيكي lectrostatic induction عندما تضرب القطرة المتناهية الصغر سطحاً ما .

ومع ذلك ، فإن كمية الشحنات الناتجة على السطح محدودة بسبب التأثير البيني ، و نتيجة لذلك ، تكون كفاءة تحويل الطاقة منخفضة جداً.

و من أجل تحسين كفاءة التحويل ، أمضى فريق البحث عامين لتطوير مولد كهرباء قائم على القطيرات droplet-based electricity generator (DEG . حيث من الممكن أن تصل كثافة الطاقة الفورية إلى ما يعادل 50.1 واط / م 2 ، أي أعلى بآلاف المرات من الأجهزة المماثلة الأخرى دون استخدام تصميم يشبه ترانزستور التأثير الميداني ( field-effect transistor (FET. كما أن كفاءة تحويل الطاقة أعلى بشكل ملحوظ.

و أشار البروفيسور وانغ Wang  من CityU إلى أن هناك عاملين حاسمين للاختراع. أولهما ، أن الفريق وجد  أن القطرات المستمرة التي تؤثر على  PTFE (تترافلوروإيثيلين) أو ما يسمى ب PTFE (polytetrafluoroethylene) ، وهي مادة تعمل بالكهرباء مع شحنة كهربائية شبه دائمة ، توفر طريقاً جديداً من أجل تكديس وتخزين الشحنات السطحية عالية الكثافة.

حيث وجدوا أنه عندما تضرب قطرات الماء المتناهية الصغر سطح PTFE باستمرار ، فإن الشحنات السطحية المتولدة سوف تتراكم وتصل تدريجياً إلى التشبع saturation . و قد ساعد هذا الاكتشاف الجديد في التغلب على المأزق أو المشكلة  في كثافة الشحن المنخفضة التي واجهتهم في العمل السابق.

هيكل فريد من نوعه يشبه الترانزستور transistor لحقل التأثير : 

لقد كانت الميزة الرئيسية الأخرى لتصميمهم هي مجموعة فريدة من الهياكل المماثلة لل FET ، وهي جائزة نوبل في الفيزياء  Nobel Prize in Physics التي فازت بالابتكار في عام 1956 وأصبحت اللبنة الأساسية للأجهزة الإلكترونية الحديثة في الوقت الحاضر.

حيث يتكون الجهاز من قطب كهربائي سالب من الألومنيوم وأكسيد القصدير الإنديوم ( indium tin oxide (ITO مع غطاء رقيق  PTFE  (تترافلوروإيثيلين) يستقر عليه . وفيه يكون القطب PTFE / ITO هو المسؤول عن توليد الشحن والتخزين والتحريض.

فعندما تضرب قطرة ماء صغيرة جداً متساقطة وتنتشر على سطح PTFE / ITO ، فهي تقوم بشكل طبيعي "ببناء جسر" لقطب الألومنيوم مع قطب PTFE / ITO ، مترجمة النظام الأصلي إلى دائرة كهربائية مغلقة الحلقة.

و يمكن مع هذا التصميم الخاص تجميع كثافة عالية من الشحنات السطحية على PTFE من خلال التأثير المستمر للقطرة الصغيرة .

و في هذه الأثناء ، و بينما يقوم الماء المنتشر بتشكيل صلة بين القطبين ، يمكن إطلاق جميع الشحنات المخزنة على PTFE بالكامل لتوليد التيار الكهربائي. و نتيجة لذلك ، تكون كلاً من كثافة الطاقة الفورية و كفاءة تحويل الطاقة أعلى بكثير.

قال البروفيسور وانغ Wang : "يظهر بحثنا أن قطرة بحجم 100 ميكروليتر (1 ميكروليتر = مليون لتر) من المياه المنبعثة من ارتفاع 15 سم يمكن أن تولد جهداً يزيد عن 140 فولت. ويمكن أن تضيء الطاقة المولدة حوالي 100 مصباح ضوئي LED صغير " 

وأضاف أن الزيادة في كثافة الطاقة اللحظية لا تنتج عن طاقة إضافية ، ولكن من تحويل الطاقة الحركية kinetic energy للمياه نفسها : "إن الطاقة الحركية التي تنطوي عليها المياه المتساقطة ترجع إلى الجاذبية ويمكن اعتبارها مجانية و متجددة.

و يجب استخدامها و استغلالها بشكل أفضل."

وتظهر أبحاثهم أيضاً أن انخفاض الرطوبة النسبية لا يؤثر على كفاءة توليد الطاقة. كما يمكن أيضاً استخدام كلاً من مياه الأمطار و مياه البحر لتوليد الكهرباء.

تسهيل استدامة العالم

أعرب البروفيسور وانغ Wang عن أمله في أن تساعد نتائج هذا البحث في حصاد طاقة المياه للاستجابة للمشكلة العالمية المتمثلة في نقص الطاقة المتجددة.

وأضاف : " إن توليد الطاقة من قطرات المطر بدلاً من النفط والطاقة النووية يمكن أن يسهل التنمية المستدامة في العالم".

و كان يعتقد أنه على المدى الطويل ، يمكن تطبيق التصميم الجديد وتثبيته على أسطح مختلفة ، حيث يكون السائل في اتصال مع المواد الصلبة ، للاستفادة الكاملة من الطاقة الحركية منخفضة التردد في الماء.

و بإمكان هذه التقنية أن تمتد من بدن سطح العبارة أو الخط الساحلي إلى سطح المظلات أو حتى داخل زجاجات المياه.

المصدر