الطاقة
مولدات المياه العائمة تحول هطول الأمطار إلى طاقة متجددة
الطلب على الطاقة يتزايد بسرعة. في عام 2024، سجل هذا العالم قفزة بنسبة 4.3٪ في طلب الكهرباء. كان هذا زيادة أكبر بكثير من الارتفاع بنسبة 2.5٪ المسجل في العام السابق، والذي كان قريبًا من متوسط معدل نمو طلب الكهرباء بين 2010 و2023.
هذا النمو مدفوع أساسًا بالنمو الضخم في مراكز البيانات نتيجة الانفجار في تبني الذكاء الاصطناعي والمركبات الكهربائية، بالإضافة إلى التوسع الصناعي وزيادة استخدام مكيفات الهواء التي تسهم بشكل كبير.
في حين أن الوقود الأحفوري شكل أكثر من نصف (تقريبًا 60٪) من توليد الكهرباء العام الماضي، مع بقاء الفحم أكبر مصدر في العالم، مزيج الطاقة في الواقع يتطور. وفقًا للوكالة الدولية للطاقة، للمرة الأولى على الإطلاق، شكل توليد الطاقة من المصادر المتجددة والطاقة النووية خمستي إجمالي التوليد العالمي في عام 2024.
كانت المصادر المتجددة، على وجه الخصوص، مسؤولة عن ثلث إنتاج الكهرباء في العالم. بين مصادر الطاقة المتجددة، تتصدر الطاقة الكهرومائية بحصة 14٪ من إجمالي توليد الكهرباء، تليها طاقة الرياح بنسبة 8٪، والطاقة الشمسية الكهروضوئية بنسبة 7٪، والطاقة الحيوية والنفايات بنسبة 3٪ فقط.
على الرغم من كونه تطورًا كبيرًا نحو الطاقة النظيفة، لا يزال مساهمة المصادر المتجددة في إنتاج الطاقة العالمي منخفضة. لذا، للمساعدة في تسريع هذا التحول إلى مصادر الطاقة المتجددة، يقوم الباحثون بإنشاء تقنيات جديدة لتحويل الطاقة لتلبية الطلب المتزايد على استهلاك الطاقة الكهربائية اليومي.
الأنظمة التي تجمع الطاقة مباشرة من البيئة، على وجه الخصوص، يمكنها المساعدة في زيادة استخدام مصادر الطاقة المتجددة.
Hydrovoltaics: تحويل الأمطار ودورات المياه إلى كهرباء
الماء عنصر حيوي للحياة. ليس فقط أنه يشكل جزءًا كبيرًا من أجسامنا، بل يشكل أيضًا جزءًا كبيرًا من الأرض. يغطي 70٪ من كوكبنا، الماء هو المورد الأكثر وفرة، وهو يحتوي على كمية كبيرة من الطاقة بأشكال مختلفة، معظمها لا يزال غير مستغل بشكل كبير.
إحدى الطرق التي تُستَغل بها هذه الطاقة هي من خلال الطاقة الكهرومائية، التي تتضمن استخدام التدفق الطبيعي للمياه المتحركة لتوليد الكهرباء.
طريقة قوية أخرى لاستخلاص الطاقة من الدورة الطبيعية للماء هي من خلال تقنية الهيدروفولتية. على عكس التقنيات التقليدية التي تستغل الطاقة الحركية للماء، تولد تقنية الهيدروفولتية الكهرباء من التفاعل المباشر بين مادة القطب والماء.
تقنية الهيدروفولتية تسمح فعليًا بتطوير أنظمة منخفضة التكلفة وعالية الكفاءة يمكنها تحويل الطاقة الحرارية مباشرة إلى طاقة كهربائية من خلال تفاعل الماء مع المواد النانوية مثل الجرافين، وأنابيب الكربون النانوية، وجسيمات الكربون النانوية، والبوليمرات الموصلة.
الطاقة التي تُحول هنا يتم توليدها بواسطة القطرات، التدفق، التذبذب، التكثف أو التبخر، وتزيد بشكل كبير من قدرة الإخراج. تشير الأبحاث إلى1 أن استخدام 1٪ فقط من الطاقة المتاحة في مياه العالم بكفاءة 1٪ عبر تقنية الهيدروفولتية يمكن أن يساعدنا في تلبية ثلث احتياجات الطاقة العالمية.
وبالتالي، فإن الأجهزة القائمة على هذه التقنية المتطورة ضرورية لتلبية طلب العالم المتعطش للطاقة باستخدام مصادر الطاقة المتجددة.
هذا أدى إلى أبحاث واسعة حول مولدات الطاقة القطرية، وهو نوع من تقنية الهيدروفولتية التي تحول الطاقة الميكانيكية لقطرات الماء مثل قطرات المطر إلى كهرباء. لكن القيود في التقنية الحالية لم تسمح لها بتحويل الطاقة المحتواة في الماء إلى طاقة كهربائية بكفاءة.
على سبيل المثال، مولد الطاقة القطرية التقليدي القائم على تأثير التريبوإلكتريك، الذي يولد شحنة كهربائية عندما يتلامس مادتان مختلفتان ثم ينفصلان، يمكنه إنتاج الكهرباء عندما تصطدم قطرة بسطح. ومع ذلك، يحد التأثير الواجهى عدد الشحنات المتولدة على السطح، مما يؤدي إلى كفاءة تحويل طاقة منخفضة نسبيًا.
لذلك، طور فريق من الباحثين “مولد كهرباء قطري مدمج بالماء” جديدًا ينتج مخرجات عالية أثناء طفو على الأسطح، مقدماً لمحة عن الجيل القادم من الأجهزة الخفيفة الوزن وعالية الكفاءة. وفقًا للدراسة:
“نتوقع أن يفتح هذا العمل مسارًا جديدًا لاستغلال المواد الطبيعية الشبيهة بالماء لبناء أجهزة هيدروفولتية وتطوير تطبيقات واسعة النطاق خالية من الأرض.”
ولكن قبل أن نتعمق في هذا البحث، دعونا أولاً نلقي نظرة على ما يحدث في هذا المجال.
أحدث ما توصل إليه العلم في مولدات الكهرباء القطرية (DEGs)
القطرات المتحركة مثل قطرات المطر شائعة وتحمل كمية كبيرة من الطاقة الحركية، مما يظهر واعدًا لتوليد الكهرباء المستدامة.توليد الكهرباء المستدامة. لجمع الطاقة الحركية لقطرات الماء، يركز الباحثون جهودهم على مولدات الكهرباء القطرية (DEGs).
مولد الكهرباء القطرية (DEG) هو تقنية قوية وقد أظهر واعدًا كطريقة فعّالة لجمع الطاقة من البيئة الطبيعية.
يستخدم قطرات الماء الساقطة لتوليد الكهرباء. عادةً، يتكون من طبقتين تريبوإلكتريتين وزوج من الأقطاب، حيث يتم فصل الشحنات عندما تصطدم قطرة الماء بالسطح ثم تنزلق.
انخفاض التكلفة، البنية البسيطة، والكثافة العالية للطاقة في مولدات الكهرباء القطرية جعلتها شائعة بين الباحثين لجمع الطاقة الحركية من مصادر المياه البيئية.
ومع ذلك، فإن تطبيقه الواسع يعيقه الهيكل المعقد وكثافة الطاقة المنخفضة. إن تطبيقهم المحدود للاستخدام على الأرض يجعلهم غير عمليين للبحيرات والأنهار والمحيطات.
تشمل التحديات الأخرى لمولدات الكهرباء القطرية تدهور الأداء بشكل كبير مع مرور الوقت في الأنظمة المتكاملة، مشاكل متانة المواد، والمساحة الكبيرة المطلوبة للتطبيقات واسعة النطاق.
اسحب للتمرير →
| النهج | التصميم الرئيسي | الإنتاج الملحوظ | الإيجابيات | القيود |
|---|---|---|---|---|
| CityU DEG شبيه بـ FET | PTFE على ITO؛ الجسيمات تربط الأقطاب العلوية/السفلية | قوة فورية عالية؛ يضيء 100 صمام LED | تراكم شحنة عالي؛ مواد بسيطة | تشبع الشحنة السطحية؛ للاستخدام على الأرض فقط |
| DEG بنية مفتوحة SCE | قطب علوي ذات سعة ذاتية؛ بنية مفتوحة | ~212 مللي واط مع قطرة 61 ميكرولتر؛ يضيء 100 صمام LED | توسيع أبسط؛ مصفوفات بنمط الألواح | يتطلب عدة ألواح للأحمال المستمرة |
| DEG من KTH + مصفوفات MSC | منطقة القطب السفلي مطابقة للانتشار؛ 30 خلية DEG + 400 خلية MSC | كفاءة تخزين 21.8٪؛ إخراج SCPS 81.2 ميكروواط | تخزين مؤقت بدون شريحة؛ تحسين قابلية الاستخدام في الواقع | تعقيد إضافي بسبب مصفوفات التخزين المتكاملة |
| DEG عائم W (NUAA) | قطب علوي–عازل–ماء؛ الماء كأساس وقطب | ~250 فولت ذروة لكل قطرة؛ وحدة 0.3 م²؛ يضيء 50 صمام LED | ~87٪ أخف وزنًا؛ ~50٪ أرخص؛ جاهز للبحيرات | الأداء يتفاوت مع هطول الأمطار؛ حدود متانة الفيلم |
لذلك، لا يزال البحث مستمرًا مع التركيز على تحسين الكفاءة من خلال تصاميم أفضل، واستخدام الماء الطبيعي كجزء من البنية، أو تحسين المواد، حيث أدت الابتكارات الأخيرة إلى إنشاء أجهزة خفيفة الوزن، منخفضة التكلفة، وحتى عائمة.
قبل بضع سنوات، طوّر فريق من الباحثين في جامعة مدينة هونغ كونغ (CityU) تقنية2 DEG بهيكل شبيه بالترانزستور تأثير المجال (FET) حقق كفاءة تحويل طاقة عالية. كانت كثافة الطاقة الفورية أعلى بكثير، حوالي آلاف المرات أعلى، من نظيره بدون هيكل شبيه بـ FET.
كان لعملهم عاملان رئيسيان؛ الأول هو اكتشاف الفريق أن عندما تصطدم قطرات الماء المستمرة بسطح مادة PTFE (polytetrafluoroethylene)، وهي مادة عازلة تحمل شحنة كهربائية شبه دائمة، تتراكم الشحنات السطحية وتصل تدريجيًا إلى التشبع. ساعد هذا الفريق على تجاوز مشكلة كثافة الشحنة المنخفضة السابقة من خلال توفير طريقة جديدة لتجميع وتخزين شحنات سطحية عالية الكثافة.
العامل الآخر كان تصميمهم، الذي كان ميزته الرئيسية مجموعة فريدة من الهياكل المشابهة للـ FET. يتكون الجهاز من قطب ألمنيوم وقطب PTFE/ITO، والذي يتضمن قطب أكسيد القصدير والاندوم (ITO) مغطى بطبقة من PTFE. عندما تصطدم قطرة بسطح PTFE/ITO وتنتشر عبره، تربط كلا القطبين، محولة النظام إلى دائرة كهربائية مغلقة.
سمح التصميم بتجميع كثافة عالية من الشحنات السطحية على PTFE. وعندما توصل المياه المنتشرة القطبين، تُفرغ الشحنات المخزنة على PTFE بالكامل لإنتاج تيار كهربائي.
بينما ركز تصميم CityU على تعزيز تجميع الشحنات، قام فريق آخر من الأكاديمية الصينية للعلوم بتبسيط بنية DEG لجعلها أكثر قابلية للتوسع.
اقترح فريق الباحثين الصينيين نموذجًا3 DEG بهيكل مفتوح بسيط لاستغلال كامل تأثير السعة الذاتية للقطب العلوي لتعزيز تطبيقه الأوسع.
المسألة هي أنه من الصعب توفير الطاقة بشكل مستمر للمعدات الكهربائية باستخدام DEG واحد أو عدة DEGs.
كما أشار الفريق، عند جمع طاقة قطرات المطر على نطاق واسع في المباني المائلة مثل المخازن، فإن طريقة بسيطة هي ربط جميع DEGs على التوازي لتزويد الحمل بالطاقة، مثل لمبة. لذا، بالإشارة إلى بنية خلية لوحة الطاقة الشمسية واستخدام كامل لتأثير السعة الذاتية للقطب العلوي، قدموا SCE-DEG بهيكل مفتوح بسيط، وهو في الأساس مكون من قطب علوي وسفلي، فيلم PTFE، وحمل.
لا تحتاج الأقطاب هنا إلى الاتصال ببعضها، ولكن لا يزال بالإمكان الحصول على طاقة فورية عالية من خلال تأثير السعة الذاتية للقطب العلوي، مما يجعل الهيكل أبسط بكثير وأكثر ملاءمة للتعميم على نطاق واسع.
عند الاختبار، تمكن من إنتاج طاقة خرج قدرها 212 مللي واط باستخدام قطرة ماء بحجم 61 ميكرولتر ويمكنه إضاءة 100 صمام LED تجاري.
مؤخرًا، قام باحثون من معهد KTH الملكي للتكنولوجيا في السويد بتعديل الأقطاب السفلية لـ DEG لتجعل مساحتها مماثلة لمساحة انتشار قطرات الماء المتصادمة، مما أدى إلى مضاعفة متوسط طاقة الخلايا الفردية.
كما صمم الفريق مصفوفات واسعة النطاق (30 خلية) حققت طاقة أعلى بحوالي 2.5 مرة مقارنة بالمصفوفات المتطورة. علاوة على ذلك، دمجوا مصفوفة (400 خلية) من المكثفات الفائقة الصغيرة لتخزين الكهرباء التي يولدها مصفوفة المولد المكوّنة من 30 خلية بكفاءة 21.8٪، دون استخدام أي شريحة إدارة طاقة.
يخلق هذا التكامل نظام طاقة ذاتي الشحن (SCPS) بقدرة خرج تبلغ 81.2 ميكروواط.
بعد أن تقوم مصفوفة DEG المكوّنة من 30 خلية بشحن مصفوفة MSC المكوّنة من 400 خلية لمدة 30 ثانية فقط، يمكن للنظام المتكامل SCPS تزويد صمام LED بالعمل بشكل مستمر لمدة 60 ثانية، “مما يشير إلى وعد الاستراتيجية لدمج مصفوفات DEG واسعة النطاق مع مصفوفات MSC فائقة السرعة لبناء أنظمة SCPS لجمع الطاقة بكفاءة عالية من الماء الطبيعي نحو تطبيقات عملية.”
Floating W-DEG: مسار خفيف الوزن وفعّال من حيث التكلفة للطاقة المستمدة من الأمطار
الآن، طور باحثون من جامعة نانجينغ للطيران والفضاء حلاً جديدًا، وهو DEG عائم يستخدم الماء الطبيعي كجزء أساسي من هيكله، وبالتالي يوفر مسارًا خفيف الوزن، ميسور التكلفة، وصديقًا للبيئة لإنتاج الطاقة المتجددة.
بدلاً من وجود فيلم عازل يجلس على قاعدة صلبة مع قطب معدني أسفلها، يتيح التصميم الجديد للماء أن يعمل كقاعدة داعمة وقطب موصل في آنٍ واحد. هذا النهج، بنية القطب العلوي–العازل–الماء، يقلل من وزن المادة وتكلفتها بنسبة 87٪ و50٪ على التوالي مقارنة بالنماذج القديمة، مع الحفاظ على مستوى مماثل من الإخراج الكهربائي وإظهار متانة كبيرة في بيئات عمل مختلفة.
نُشرت الدراسة في مجلة National Science Review5، وتفصل مسار التصميم ‘المدمج مع الطبيعة’ الذي أدى إلى تطوير DEG عائم مدمج بالماء (W-DEG) يستفيد من الوظائف الكهربائية والهيكلية للماء.
طريقة عمله هي أنه عندما تسقط قطرات المطر، مصدر ماء عذب يحمل طاقة غير مستغلة، على السطح العازل العائم، يستجيب فيلم الفلورينيت إيثيلين بروبيلين (FEP) فورًا. بفضل كونه كيميائيًا غير نشط، يقاوم فيلم FEP الرقيق تغيرات درجات الحرارة الشديدة، والتآكل، ونمو الطحالب والبكتيريا.
مع انتشار القطرة، تُنشئ تدفقًا من الأيونات، مما يسبب نقل شحنة بين المنطقة العلوية والسفلية، مولدة كمية صغيرة جدًا من الكهرباء. يعيد السطح ضبط نفسه عندما ترتد القطرة.
توفر الخصائص الطبيعية للماء هنا الاستقرار الميكانيكي المطلوب لامتصاص الصدمة والسماح للقطرات بالانتشار بكفاءة، دون انحناء أو كسر.
تشمل هذه الخصائص الطبيعية توترًا سطحيًا قويًا وعدم قابلية للضغط. يُعتبر الماء شبه غير قابل للضغط، مما يعني أنه لا يتعرض للضغط كثيرًا. في الوقت نفسه، يخلق الترابط القوي بين جزيئات الماء، الناجم عن الروابط الهيدروجينية، توترًا سطحيًا قويًا.
تعمل الأيونات داخل الماء كحاملات شحنة، مما يسمح له بأن يكون قطبًا موثوقًا.
معًا، تمكّن هذه الميزات المولد العائم من توليد فولتية ذروة تبلغ حوالي 250 فولت لكل قطرة، بما يتساوى مع أداء التصاميم الصلبة التقليدية التي تستخدم المعدن.
التصميم أيضًا متين، حيث أظهرت الاختبارات أن المولد حافظ على الأداء عبر ظروف مختلفة، بما في ذلك تركيزات ملحية مختلفة (حتى 500 مليمولار كلوريد الصوديوم)، درجات حرارة، وحتى التعرض لمياه بحيرة خارجية مع تراكم الكائنات الحية — وهي مشكلة كبيرة للأجهزة البحرية.
بينما تتدهور العديد من أجهزة الطاقة في البيئات القاسية، يواصل المولد العائم العمل بثبات بسبب مرونة البنية القائمة على الماء ومقاومة الطبقة العازلة للمواد الكيميائية.
عند اختباره في ماء مالح عالي التركيز، حافظ المولد على وظيفته بعد أسبوع من النشر. وإذا تراكم أي حطام عليه، فإن التنظيف البسيط يعيده إلى أقصى أداء.
لزيادة استقرار جهازهم، استغل الفريق توتر السطح العالي للماء لتصميم ثقوب تصريف تسمح للماء بالمرور إلى الأسفل في اتجاه واحد فقط. وبالتالي، باستخدام الجاذبية وتوتر السطح، يمكن للفريق تقليل تراكم الملوثات والحفاظ على نظافته، مما يخلق نظامًا ذاتيًا لتنظيم إزالة أي قطرات زائدة. بهذه الطريقة، يتم تجنب تراكم الماء الذي قد يقلل من الإنتاج.
جانب رئيسي آخر من DEG العائم W هو القابلية للتوسع. بحجم 0.3 متر مربع، عرض الباحثون مولد قطرات أكبر بكثير من تلك التي تم الإبلاغ عنها سابقًا. مع كل من هذه المولدات التي تنتج حوالي 250 فولت لكل قطرة، يمكنها تشغيل 50 صمام LED في آنٍ واحد.
علاوة على ذلك، تمكن النظام أيضًا من شحن المكثفات إلى فولتية مفيدة في دقائق قليلة. جرب الفريق 10 أجهزة W-DEG وأنتجوا محاكاة لهطول الأمطار باستخدام 120 قطارة محاكاة، ثم شحنوا المكثف إلى ثلاثة فولت، مما يثبت إمكانيته لتشغيل المستشعرات اللاسلكية والإلكترونيات الصغيرة.
مع مزيد من التطوير، يمكن استخدام هذه الأنظمة لجمع الكهرباء المتجددة من البحيرات، الخزانات، أو المناطق الساحلية دون احتلال موارد الأرض الثمينة.
“من خلال السماح للماء بأن يلعب دورًا هيكليًا وكهربائيًا في آنٍ واحد، فتحنا استراتيجية جديدة لتوليد الكهرباء القطرية تكون خفيفة الوزن، فعّالة من حيث التكلفة، وقابلة للتوسع”، قال مشارك الدراسة، الأستاذ وانلين قوه. “هذا يفتح الباب أمام أنظمة هيدروفولتية خالية من الأرض يمكنها تكملة تقنيات الطاقة المتجددة الأخرى مثل الشمس والرياح.”
في المناطق التي تشهد هطول أمطار متكرر، يمكن لمولد الكهرباء القطرية العائم أن يوفر حلًا طاقة موزعًا يشغّل التطبيقات غير المتصلة بالشبكة أو يكمل الشبكات المحلية.
مقارنةً بمولد القطرات التقليدي، الذي يكلف حوالي 210 يوان (حوالي 29.50 دولار) لكل متر مربع ويزن أكثر من أربعة كيلوجرامات (حوالي 8.818 رطل)، فإن النسخة العائمة للفريق تكلف حوالي 106 يوان (أقل من 15 دولار) وتزن فقط 0.5 كيلوجرام (1.1 رطل).
بالإضافة إلى جمع مياه الأمطار، يمكن للجهاز أن يكون له تطبيقات أخرى بفضل وظيفته التي تسمح له بالطفو طبيعيًا على أسطح المياه. على سبيل المثال، يمكن نشره في بيئات مائية متنوعة لتشغيل أنظمة مراقبة البيئة مثل المستشعرات التي تتعقب التلوث، جودة المياه، أو الملوحة.
تصميمه ‘المدمج مع الطبيعة’، حيث يُستخدم المادة الطبيعية الوفيرة كعنصر وظيفي، قد يلهم أيضًا نهجًا جديدًا في التقنيات القائمة على البيئة.
ولكن قبل أن يتم نشر الجهاز على نطاق واسع، هناك تحديات يجب معالجتها أولاً. إن اختلاف حجم وسرعة قطرات المطر الفعلية يعني أن أداء الجهاز قد يتأثر. بالإضافة إلى ذلك، يلزم مزيد من الهندسة لضمان صلابة ومتانة الأفلام العازلة الكبيرة في الظروف الخارجية المتغيرة.
على الرغم من هذه التحديات، كانت نتائج المختبر واعدة، وتُظهر تجربة نموذج أولي فعال، متين، وقابل للتوسع خطوة رئيسية نحو تطبيقات عملية لـ DEG العائم المدمج بالماء (W-DEG).
الاستثمار في تقنيات جمع المياه
Xylem (XYL ) هي شركة تكنولوجيا مياه عالمية تركز على إدارة المياه الذكية، وتشارك في دمج المستشعرات، المراقبة، وأنظمة تدفق المياه.
يقدم قطاع بنية تحتية المياه منتجات مثل معدات المعالجة، المياه، مياه الصرف الصحي، ومضخات مياه العواصف وأنظمة التحكم. يغطي قطاع المياه التطبيقية منتجات تشمل المضخات، الصمامات، المبادلات الحرارية، ومعدات التوزيع، بينما يبني قطاع حلول القياس والتحكم (MCS) حلولًا متقدمة للاستخدام الذكي للموارد الحيوية، بالإضافة إلى أدوات التحليل لاختبار المياه. يوفر قطاع الحلول المتكاملة والخدمات أنظمة معدات للصناعات والبلديات.
تستفيد Xylem أيضًا من الذكاء الاصطناعي لمراقبة تدفق المياه واكتشاف التسربات في الوقت الحقيقي. يتيح ذلك اكتشاف المشكلات في الوقت المناسب ثم إصلاحها بسرعة، مما يوفر المياه ويقلل التكاليف.
(XYL )
