Su Yüzü Jeneratörleri Yağmuru Yenilenebilir Enerjiye Dönüştürüyor

Enerji talebi hızlı bir şekilde artıyor. 2024 yılında, bu dünya %4,3’lük bir artış kaydetti. Bu, önceki yıl kaydedilen %2,5’lik artıştan çok daha büyük bir artıştı ve 2010-2023 yılları arasında elektrik talebi büyümesinin ortalama temposuna yakındı.

Bu büyüme, esas olarak veri merkezlerindeki muazzam büyümede ve yapay zeka benimsemesinin patlamasıyla birlikte elektrikli araçlar, endüstriyel genişleme ve havaconditioner kullanımındaki artışla sürüklenmektedir.

While fosil yakıtlar geçen yıl elektrik üretiminin yarısından fazlasını (neredeyse %60’ını) oluşturdu ve kömür dünyanın en büyük kaynağı olarak kaldı, enerji karışımı aslında değişiyor. IEA’ya göre, ilk kez her zaman, yenilenebilir enerji ve nükleer enerji üretimi 2024 yılında toplam küresel üretimin beşte ikisini oluşturdu. 

Yenilenebilir enerji kaynakları, özellikle dünya elektrik üretiminin üçte birini oluşturdu. Yenilenebilir enerji kaynakları arasında, hidroelektrik enerji %14’lük payıyla liderken, rüzgar enerjisi %8, güneş enerjisi %7 ve biyoenerji ve atık %3 payla takip etti.

While bir büyük gelişme temiz enerjiye doğru, yenilenebilir enerjinin küresel enerji üretimine katkısı hala düşük. So, to further help hızlandırmak için bu geçişi yenilenebilir enerji kaynaklarına, araştırmacılar günlük elektrik enerji tüketimine đáp olmak için yeni enerji dönüşüm teknolojileri geliştiriyorlar. 

Çevreden doğrudan enerji toplayan sistemler, özellikle yenilenebilir enerji kullanımını artırmaya yardımcı olabilir.

Hidrovoltaik: Yağmur ve Su Döngüsünü Elektrik Enerjisiye Dönüştürme

Su, yaşamın temel bir öğesidir. Sadece vücudumuzun büyük bir kısmını oluşturmakla kalmaz, aynı zamanda Dünya’nın da büyük bir kısmını oluşturur. Dünya’nın %70’ini kapsayan su, en yaygın kaynak olup, ve çeşitli formlarda önemli miktarda enerji içerir, bunun büyük bir kısmı hala büyük ölçüde atıl durumda.

Su enerjisinin bir şekilde kullanılması, hidroelektrik enerji yoluyla gerçekleşir, bu da su akışını kullanarak elektrik üretmeyi içerir.

Su döngüsünden enerji elde etmenin başka bir güçlü yolu da hidrovoltaik teknolojisidir. Geleneksel teknolojilerden farklı olarak, hidrovoltaik teknoloji, su ile elektrot malzemesi arasındaki doğrudan etkileşimden elektrik üretir. 

Hidrovoltaik teknoloji aslında, su ile nanomalzemeler such as grafen, karbon nanotüpler, karbon nanopartiküller ve iletken polimerler arasındaki etkileşimden termal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren düşük maliyetli ve yüksek verimli sistemlerin geliştirilmesine izin verir.

Burada dönüştürülen enerji, damlama, akış, dalgalanma, yoğunlaşma veya buharlaşma tarafından üretilir ve çıktı gücünü önemli ölçüde artırır. Araştırma¹ belirtti ki, sadece dünyanın kullanılabilir su enerjisindeki %1’ini %1 verimlilikle hidrovoltaik teknoloji kullanarak世界ın enerji ihtiyacının üçte birini karşılayabilir.

Bu nedenle, bu gelişen teknolojiye dayalı cihazlar, enerji açlığı çeken dünya için yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanarak talebi karşılamak için çok önemlidir.

Bu, özellikle yağmur damlalarını elektrik enerjisine dönüştüren bir hidrovoltaik teknoloji türü olan damla enerji jeneratörleri üzerine araştırmaya yöneltti. Ancak, mevcut teknolojinin sınırlamaları, su中的 enerjiyi verimli bir şekilde elektrik enerjisine dönüştürmesine izin vermedi.

Örneğin, triboelektrik etkisine dayalı geleneksel bir damla enerji jeneratörü, iki farklı malzemenin teması ve ardından ayrılmasıyla bir elektrik yükü üretir ve bir damla yüzeye çarptığında elektrik üretir. Ancak, arayüz etkisi, yüzeyde üretilen yük sayısını sınırlar, bu da nispeten düşük enerji dönüşüm verimliliğine yol açar.

Bu nedenle, bir grup araştırmacı, yüzen bir “su entegreli damla elektrik jeneratörü” geliştirdi, bu da yükseltilmiş bir çıktı gösterir ve sonraki nesil hafif, yüksek verimli cihazlara bir bakış sunar. Çalışmaya göre:

“Bu çalışmanın, hidrovoltaik cihazlar oluşturmak için su gibi doğal malzemeleri kullanmak için yeni bir yolu açacağına inanıyoruz.”

Önce bu araştırmaya dalmeden önce, bu alanda neler olduğu hakkında bir göz atalım.

Damla Elektrik Jeneratörlerinin (DEG) Durumu

Hareketli su damlaları gibi yağmur damlaları, geniş bir alanda yaygındır ve önemli miktarda kinetik enerji taşır, bu da sürdürülebilir elektrik üretimi için umut vaat eder. Su damlalarının kinetik enerjisini hasat etmek için, araştırmacılar DEG’ler üzerinde çalışmalarını yoğunlaştırdılar.

Damla tabanlı elektrik jeneratörü (DEG), güçlü bir teknoloji olup, doğal ortamdan enerji hasadı için verimli bir yol olarak göstermiştir. 

İniş yüzeyi ve bir çift elektrot içeren iki triboelektrik katmandan oluşur, burada su damlası yüzeye çarptığında ve kaydığı sırada yükler ayrılır. 

DEG’lerin düşük maliyeti, basit yapısı ve yüksek güç yoğunluğu, araştırmacılar arasında çevre su kaynaklarından kinetik enerji hasadı için popüler olmasını sağlamıştır. 

Genel uygulaması, karmaşık yapı ve düşük çıktı güç yoğunluğu tarafından engellenir. Ayrıca, DEG’lerin sadece kara tabanlı kullanım ile sınırlı olması, göller, nehirler ve okyanuslar için pratik olmaktan uzak kılar.

DEG’lerle ilgili diğer zorluklar, entegre sistemlerde zaman içinde önemli performans düşüşü, malzeme dayanıklılık sorunları ve büyük ölçekli uygulamalar için gereken yüksek mekansal ayak izi içerir.

Swipe to scroll →

Araştırmalar devam ediyor ve daha iyi tasarımlar, doğal suyun yapısına entegre edilmesi veya malzeme optimizasyonu yoluyla verimliliği artırmaya odaklanıyor ve son yıllarda hafif, ucuz ve hatta yüzen cihazlar yaratıldı.

Birkaç yıl önce, Hong Kong City Üniversitesi’nden (CityU) bir grup araştırmacı geliştirdi² bir DEG, FET benzeri bir yapı ile yüksek enerji dönüşüm verimliliği elde etti. Anlık güç yoğunluğu, FET benzeri yapıya sahip olmayan karşılıklarına göre çok daha yüksekti, yaklaşık binlerce kat daha yüksekti.

Çalışmanın iki ana faktörü vardı; biri, araştırmacıların, sürekli su damlalarının politetrafloroetilen (PTFE) yüzeyine çarptığında, yüzeyde üretilen yüklerin birikerek ve dần dần doygunluğa ulaştığını keşfetmesiydi. Bu, önceden karşılaşılan düşük yük yoğunluğunu aşmak için yeni bir yol sunarak yüksek yoğunluklu yüzey yüklerinin biriktirilmesine ve depolanmasına yardımcı oldu.

Diğer faktör, FET benzeri yapıya benzer bir yapıya sahip olan tasarımlarıydı. Cihaz, alüminyum bir elektrot ve bir PTFE/ITO elektrotundan oluşuyordu, bu da bir indiyum kalay oksit (ITO) elektrotuna PTFE filmi depo edilmesi ile oluşuyordu. Bir damla PTFE/ITO yüzeyine çarptığında ve yayıldığında, her iki elektrodu da köprüleyerek sistemi kapalı bir elektrik devresine dönüştürür.

Tasarım, PTFE’de yüksek yoğunluklu yüzey yüklerinin toplanmasına izin verdi. Ve su yayıldığında iki elektrodu birbirine bağlayarak, depolanan yükler PTFE’de tamamen serbest bırakılarak elektrik akımı üretir.

CityU’nun tasarımı, yük biriktirme kapasitesini artırmaya odaklanırken, bir başka Çinli araştırmacı ekibi, DEG’nin mimarisini daha ölçeklenebilir hale getirmek için basitleştirdi.

Çinli araştırmacılar öne³ sürdü, bir DEG ile basit bir açık yapı sunarak, üst elektrotun kendi kapasitans etkisini tam olarak kullanmak suretiyle daha geniş bir uygulama için teşvik etti.

Aslında, tek bir veya birkaç DEG ile elektrikli ekipman için sürekli enerji sağlanması zor. 

Araştırmacılar, bir veya birkaç DEG ile büyük ölçekli yağmur damlası enerjisini hasat etmek için, bir lamba gibi bir yüke güç sağlamak için tüm DEG’leri paralel olarak bağlamak için basit bir yöntem vardır. Öyleyse, güneş panelinin hücre yapısına atıfta bulunarak ve üst elektrotun kendi kapasitans etkisini tam olarak kullanarak, basit bir açık yapıya sahip bir SCE-DEG sundular, bu esas olarak bir üst ve alt elektrot, PTFE filmi ve yüke sahiptir. 

Buradaki elektrotlar birbirine bağlanmasına gerek yok, ancak üst elektrotun kendi kapasitans etkisi ile yüksek anlık çıktı gücü elde edilebilir, bu yapıyı çok daha basit ve geniş ölçekli popülerleştirme için daha uygun hale getirir.

Test edildiğinde, 61 µL bir su damlasıyla 212 mW çıktı gücü üretebilir ve 100 ticari LED lambayı doğrudan aydınlatabilir.

En son olarak, İsveç’teki KTH Kraliyet Teknoloji Enstitüsü’nden araştırmacılar her⁴ bir DEG’nin alt elektrotlarını, çarpan su damlasının yayılma alanına benzer bir alan ile eşleştirdiler, böylece her bir hücrenin ortalama çıktı gücünü ikiye katladı.

Araştırmacılar ayrıca, 30 hücreli büyük ölçekli (30 hücre) dizileri oluşturdu, bu diziler mevcut en iyi dizilerden yaklaşık iki buçuk kat daha yüksek güç üretti. Ayrıca, 400 hücreli bir mikro süper kapasitör (MSC) dizisini entegre ettiler, böylece 30 hücreli jeneratör dizisi tarafından üretilen elektrik %21,8 verimlilikle depolandı, hiçbir güç yönetim çipi kullanılmadan.

Bu entegrasyon, 81,2 µW çıktı gücü ile bir öz şarj sistemi (SCPS) oluşturur. 30 hücreli DEG dizisi, 400 hücreli MSC dizisini sadece 30 saniye içinde şarj etti, sonra entegre SCPS, 60 saniye boyunca sürekli çalışan bir LED lambayı besleyebilir, “büyük ölçekli DEG dizilerini büyük ölçekli ultra hızlı MSC dizileriyle entegre ederek yüksek verimli enerji hasadı için SCPS’ler oluşturmanın vaadini gösteriyor.

Yüzen W-DEG: Hafif, Ucuz ve Ölçeklenebilir Yağmur Enerjisi Üretimi

Şimdi, Nanjing Havacılık ve Uzay Üniversitesi’nden araştırmacılar, doğal suyun yapısına entegre edilmiş yeni bir çözümü geliştirdiler, yüzen bir DEG kullanarak, böylece hafif, ucuz ve ekolojik bir yenilenebilir enerji üretimi yolu sunuyor.

Yerine, dielektrik filmi bir metal elektrot altında sert bir tabana otururken, yeni tasarım, su nun hem destek tabanı hem de iletken elektrot olarak görev yapmasını sağlar. Bu yaklaşım, üst elektrot-dielektrik-su mimarisi, hem malzeme ağırlığını hem de maliyeti %87 ve %50 oranında azaltır, eski modellere kıyasla benzer bir elektrik çıkışı seviyesini korurken ve farklı çalışma ortamlarında büyük bir dayanıklılık gösterir. 

Ulusal Bilim İncelemesi’nde yayınlanan⁵ çalışmada, doğa entegreli bir tasarım yoluna yol açan bir su entegreli yüzen DEG (W-DEG) geliştirilmesiyle ilgili detaylar veriliyor. 

İşleyiş şekli, yağmur damlaları veya taze su kaynağı gibi kullanılmayan enerji taşıyan bir su kaynağı yüzen dielektrik yüzeyine düştüğünde, florlu etilen propilen (FEP) filmi hemen tepki verir. Kimyasal olarak inert olan ince FEP filmi, aşırı sıcaklık değişikliklerine, korozyona ve alg ve bakteri büyümesine karşı direnç gösterir.

Su damlası yayıldığında, iyon akışı oluşturur, yük transferini üst ve alt bölge arasında sağlar ve çok küçük bir miktarda elektrik üretir. Yüzey, damlanın sıçradığında sıfırlanır.

Buradaki su nun doğal özellikleri, darbeyi emmek için gereken mekanik stabiliteyi sağlar, su damlalarının verimli bir şekilde yayılmasını sağlar ve bükülmesini veya kırılmasını önler.

Su nun özellikleri, güçlü yüzey gerilimi ve sıkışmazlık içerir. Su, neredeyse sıkışmaz olarak kabul edilir, yani baskıya karşı çok az sıkışır. Su molekülleri arasındaki güçlü kohesiyon, hidrojen bağları nedeniyle güçlü yüzey gerilimi oluşturur.

Su içindeki iyonlar, yük taşıyıcıları olarak görev yapar, böylece su nun güvenilir bir elektrot olarak davranmasına izin verir.

Bu özellikler, yüzen jeneratörün her bir damla için yaklaşık 250 volt zirve gerilimi üretmesine olanak tanır, geleneksel katı tasarımların performansı ile benzerdir.

Tasarım dayanıklıdır, testler gösterdi ki jeneratör, farklı tuz konsantrasyonları (500 milimolar sodyum klorür dahil), sıcaklıklar ve hatta bio çamur ile kirlenmiş açık göl suyunun maruz kalmasına rağmen performansı korudu.

Çok çağdaş enerji cihazları, zorlu ortamlarda bozulurken, yüzen jeneratör stabil bir şekilde çalışmaya devam eder çünkü su tabanlı yapının direnci ve dielektrik katmanın kimyasal inertliği nedeniyle.

Yüksek tuzlu suda test edildiğinde, jeneratör, bir haftalık dağıtım之后 hala işlevini korudu. Ve eğer herhangi bir artıklar üzerine birikirse, basit bir temizleme ile maksimum performansa geri dönebilir.

Araştırmacılar, cihazlarının stabilitesini daha da artırmak için, su nun yüksek yüzey geriliminden yararlanarak, su nun yalnızca bir yönde aşağı doğru akmasına izin veren drenaj delikleri tasarladılar. Böylece, yer çekimi ve yüzey gerilimini kullanarak, artıkların birikmesini önleyebilir ve cihazın temiz kalmasını sağlayabilir, böylece bir öz düzenleme sistemi oluşturur. Bu şekilde, çıktıyı azaltabilecek fazla damla birikimi önlenir.

Yüzen W-DEG nin bir başka önemli yönü de ölçeklenebilirliktir. 0.3 metrekare büyüklüğünde olan araştırmacılar, önceki çalışmalara göre çok daha büyük bir damla jeneratörü sergilediler. Her bir jeneratör, her bir damla için yaklaşık 250 volt üretir ve 50 LED lambayı aynı anda çalıştırabilir.

Ayrıca, sistem, kapasitörleri birkaç dakika içinde kullanışlı gerilime şarj edebildi. Araştırmacılar, 10 W-DEG cihazı denedikten sonra, 120 adet simüle yağmur damlası kullanarak, kapasitörü üç volta şarj etti ve kablosuz sensörleri ve küçük elektronik cihazları çalıştırma potansiyelini gösterdi.

İleri geliştirme ile, bu sistemler, göllerden, barajlardan veya kıyı bölgelerinden yenilenebilir elektrik hasadı için kullanılabilecektir.

“Su kendisini hem yapısal hem de elektriksel rollerde oynayarak, damla elektrik üretimi için yeni bir strateji açığa çıkardık, böylece hafif, ucuz ve ölçeklenebilir bir yol sunuyoruz. Bu, diğer yenilenebilir teknoloji gibi güneş ve rüzgar enerjisi ile tamamlayıcı olan arazisiz hidrovoltaik sistemlere kapı aralar.” dedi çalışmanın ortak yazarı Profesör Wanlin Guo.

Sık yağmur yağan bölgelerde, yüzen damla elektrik jeneratörü, şebekeden bağımsız uygulamaları çalıştırabilen veya yerel şebekeleri tamamlayıcı bir dağıtılmış enerji çözümü sağlayabilir.

Geleneksel bir damla jeneratörüne kıyasla, bu yaklaşık 210 yuan (yaklaşık 29.50 dolar) metrekare başına mal olur ve dört kilogramdan (yaklaşık 8.818 pound) fazla ağırlığa sahiptir, araştırmacıların yüzen versiyonu yaklaşık 106 yuan (15 doların altında) ve sadece 0.5 kilogram (1.1 pound) ağırlığındadır.

Yağmur su hasadı dışında, cihazın su yüzeyinde doğal olarak yüzen yeteneği, çeşitli su ortamlarında dağıtılmış enerji sistemleri gibi kirlilik, su kalitesi veya tuzluluk izleyen sensörleri çalıştırmak için diğer uygulamalara sahip olabileceğini gösterir.

‘Doğa entegreli tasarım‘, doğal olarak bol miktarda bulunan malzemenin işlevsel bir bileşen olarak kullanılması, ekolojik temelli teknolojilerde yeni yaklaşımlar için ilham kaynağı olabilir.

Ancak, cihaz büyük ölçekli olarak dağıtılmadan önce, çözülmesi gereken zorluklar vardır. Gerçek yağmur damlalarının değişken boyutu ve hızı, cihazın performansı nı etkileyebilir. Ayrıca, dış ortamlarda büyük dielektrik filmlerin dayanıklılığı ve robuşluğunu sağlamak için daha fazla mühendislik gerekir.

Bu zorluklara rağmen, laboratuvar sonuçları umut verici ve verimli, dayanıklı ve ölçeklenebilir bir prototipin gösterilmesi, pratik uygulamalara doğru önemli bir adım teşkil ediyor.

Su Hasadı Teknolojilerine Yatırım

Xylem (XYL ) bir küresel su teknolojisi şirketi olup, akıllı su yönetimi üzerine odaklanmaktadır, sensörler, izleme ve su akışı sistemlerini entegre etmektedir.

Su Altyapısı segmenti, arıtma ekipmanları, su, atık su ve fırtına suyu pompaları ve kontrol sistemleri gibi ürünleri sunar. Uygulamalı Su segmenti, pompalar, vanalar, ısı değiştiriciler ve dağıtım ekipmanları dahil ürünleri içerir, aynı zamanda su testi için gelişmiş çözüm ve analitik enstrümantasyon sunar. Entegre Çözüm ve Hizmetler segmenti, endüstriler ve belediyeler için ekipman sistemleri sağlar.

Xylem, aynı zamanda su akışını izlemek ve sızıntıları gerçek zamanlı olarak tespit etmek için yapay zeka kullanır. Bu, sorunların zamanında tespit edilip hızlı bir şekilde düzeltilmesine olanak tanır, su ve maliyet tasarrufu sağlar.