אנרגיה
גנרטורים צפים של מים הופכים גשמים לאנרגיה מתחדשת
Securities.io מקפיד על סטנדרטים מחמירים של עריכה ועשוי לקבל פיצוי מקישורים שנבדקו. איננו יועצי השקעות רשומים וזה אינו ייעוץ השקעות. אנא עיינו באתר שלנו גילוי נאות.
הביקוש לאנרגיה עולה במהירות. בשנת 2024, העולם הזה נרשמה זינוק של 4.3% בביקוש לחשמל. זֶה הייתה עלייה גדולה בהרבה מהעלייה של 2.5% שנרשמה בשנה הקודמת, שהייתה קרובה לקצב הממוצע של צמיחת הביקוש לחשמל בין 2010 ל-2023.
צמיחה זו מונעת בעיקר על ידי הצמיחה העצומה במרכזי נתונים עקב הפיצוץ באימוץ בינה מלאכותית וכלי רכב חשמליים, כאשר התרחבות תעשייתית ושימוש מוגבר במיזוג אוויר תורמים גם הם באופן משמעותי.
בעוד שדלקים מאובנים מורכב יותר ממחצית (כמעט 60%) מייצור החשמל בשנה שעברה, כאשר פחם נותר המקור הגדול ביותר בעולם, תמהיל הכוחות is למעשה מתפתח. על פי הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה אטומית, לראשונה אֵיִ פַּעַם, ייצור חשמל מאנרגיה מתחדשת ואנרגיה גרעינית היווה שתי חמישיות מכלל הייצור העולמי בשנת 2024.
אנרגיה מתחדשת, בפרט, הייתה אחראית לשליש מייצור החשמל העולמי. מבין המקורות המתחדשים, אנרגיית מים מובילה עם נתח של 14% מסך ייצור החשמל, אחריה רוח עם 8%, אנרגיה סולארית פוטו-וולטאית עם 7%, וביו-אנרגיה ופסולת עם 3% בלבד.
למרות שזוהי התפתחות משמעותית לקראת אנרגיה נקייה, תרומתן של אנרגיה מתחדשת לייצור אנרגיה עולמי עדיין נמוכה. אז, ל נוסף לעזור חוקרים האיצו את המעבר הזה למקורות אנרגיה מתחדשים יצירת טכנולוגיות חדשות להמרת אנרגיה כדי לעמוד בדרישות הגוברות דרישות לאנרגיה חשמלית יומית צְרִיכָה.
מערכות שאוספות אנרגיה ישירות מהסביבה, בפרט, יכולות לעזור להגביר את השימוש במקורות אנרגיה מתחדשים.
הידרו-וולטאיקה: הפיכת מחזורי גשם ומים לחשמל
מים הם מרכיב חיוני בחיים. לא רק שהם מהווים חלק גדול מגופנו, אלא גם חלק גדול מכדור הארץ. המים, המכסים 70% מכדור הארץ שלנו, הם המשאב השופע ביותר, ו it מכיל a משמעותי הסכום של אנרגיה בצורות שונות, שחלק ניכר ממנה נשאר במידה רבה מנוצל פחות.
אחת של הדרכים האנרגיה הזו is מנוצל היא באמצעות אנרגיה הידרואלקטרית, אשר כרוך בשימוש הזרימה הטבעית של נע מים לייצור חשמל.
דרך עוצמתית נוספת לקצור אנרגיה ממחזור המים הטבעי היא באמצעות טכנולוגיה הידרו-וולטאית. בניגוד לטכנולוגיות מסורתיות, הקוצרות את האנרגיה הקינטית של המים, טכנולוגיה הידרו-וולטאית מייצרת חשמל מאינטראקציה ישירה של חומר אלקטרודה עם מים.
ההידרו-וולטאית טֶכנוֹלוֹגִיָה למעשה מאפשר פיתוח של עלות נמוכה ו מערכות יעילות גבוהה אשר יכול להמיר ישירות אנרגיה תרמית לאנרגיה חשמלית באמצעות אינטראקציה של מים עם ננו-חומרים כגון גרפן, ננו-צינוריות פחמן, ננו-חלקיקי פחמן ופולימרים מוליכים.
האנרגיה ש מומר כאן מופק על ידי טפטוף, זרימה, תנודה, עיבוי או אידוי, ומגדיל באופן משמעותי את עוצמת המוצא. מחקר מדינות1 ששימוש ב-1% בלבד מהאנרגיה הזמינה במים בעולם ביעילות של 1% בלבד באמצעות טכנולוגיה הידרו-וולטאית יכול לעזור לנו לענות על 1/3 מצרכי האנרגיה העולמיים.
ככאלה, מכשירים המבוססים על זה מתפתח טכנולוגיה היא קריטית ל לספק את הביקוש של העולם צמא הכוח באמצעות מקורות אנרגיה מתחדשים.
זֶה הוביל למחקר נרחב על מחוללי אנרגיה של טיפות מים, סוג של טכנולוגיה הידרו-וולטאית הממירה את האנרגיה המכנית של טיפות מים. כמו טיפות גשם לחשמל. אבל מגבלות בטכנולוגיה הנוכחית לא אפשרו לה להמיר ביעילות את האנרגיה הכלולה במים לאנרגיה חשמלית.
לדוגמה, מחולל אנרגיה טיפתית מסורתי המבוסס על האפקט הטריבואלקטרי, אשר מייצר מטען חשמלי כאשר שני חומרים שונים באים במגע ואז נפרדים, יכול לייצר חשמל כאשר טיפה פוגעת במשטח. עם זאת, אפקט הבין-פנימי מגביל את מספר המטענים הנוצרים על פני השטח, וכתוצאה מכך יעילות המרת אנרגיה נמוכה יחסית.
אז, צוות חוקרים פיתח "מחולל חשמל משולב מים" חדשני המייצר תפוקה גבוהה תוך כדי שהוא צף על משטחים, ומציע הצצה לדור הבא של מכשירים קלים ויעילים. על פי המחקר:
"אנו צופים שעבודה זו תפתח דרך חדשה לרתום חומרים טבעיים דמויי מים לבניית התקנים הידרו-וולטאיים ולקידום יישומים בקנה מידה גדול ללא קרקע."
אבל לפני שנתחיל במחקר הזה, בואו נבחן תחילה מה שקורה בתחום הזה.
טכנולוגיה מתקדמת בתחום גנרטורי חשמל בטיפות (DEGs)
טיפות מים נעות כמו טיפות גשם נפוצות ונושאות כמות ניכרת של אנרגיה קינטית, דבר המבטיח ייצור חשמל בר-קיימאכדי לאסוף את האנרגיה הקינטית של טיפות מים, חוקרים הצליחו מיקדו את מאמציהם על DEGs.
מחולל חשמל מבוסס טיפות (DEG) הוא טכנולוגיה רבת עוצמה שהראתה פוטנציאל כדרך יעילה לקצור אנרגיה מהסביבה הטבעית.
הוא משתמש בטיפות מים נופלות כדי לייצר חשמל. בדרך כלל, הוא מורכב משתי שכבות טריבואלקטריות וזוג אלקטרודות, שבהן מטענים מופרדים כאשר טיפת מים פוגעת במשטח ואז מחליקה ממנו.
העלות הנמוכה, המבנה הפשוט וצפיפות ההספק הגבוהה של DEGs הפכו אותם לפופולריים בקרב חוקרים לאיסוף אנרגיה קינטית ממקורות מים סביבתיים.
עם זאת, היישום הרחב שלו חסום עקב המבנה המורכב וצפיפות הספק המוצא הנמוכה. שלהם יישום להיות מוגבל ל שימוש יבשתי גם גורם אוֹתָם לא מעשי עבור אגמים, נהרות ואוקיינוסים.
אתגרים נוספים עם DEGs כוללים ירידה משמעותית בביצועים לאורך זמן במערכות משולבות, בעיות עמידות חומרים וטביעת רגל מרחבית גבוהה הנדרשת ליישומים בקנה מידה גדול.
החלק כדי לגלול →
| גישה | עיצוב מפתחות | תפוקה בולטת | Pros | גבולות |
|---|---|---|---|---|
| DEG דמוי FET של CityU | PTFE על ITO; טיפות מגשרות בין אלקטרודות עליונות/תחתונות | הספק מיידי גבוה; מדליק 100 נוריות LED | הצטברות מטען גבוהה; חומרים פשוטים | רוויה של מטען פני השטח; מבוסס קרקע בלבד |
| SCE-DEG בעל מבנה פתוח | אלקטרודה עליונה בעלת קיבוליות עצמית; ארכיטקטורה פתוחה | ~212 mW עם טיפה של 61 µL; מדליק 100 נוריות LED | קנה מידה פשוט יותר; מערכים בסגנון פאנל | דורש מספר פאנלים לעומסים רציפים |
| מערכי KTH DEG + MSC | שטח האלקטרודה התחתונה מותאם לפיזור; DEG של 30 תאים + MSC של 400 תאים | יעילות אחסון של 21.8%; תפוקת SCPS של 81.2 מיקרו-וואט | אחסון ללא שבבים; שימושיות משופרת בעולם האמיתי | מורכבות נוספת ממערכי אחסון משולבים |
| צף W-DEG (NUAA) | אלקטרודה עליונה - דיאלקטרי - מים; מים כבסיס ואלקטרודה | ~250 וולט פיקים לכל טיפה; יחידה של 0.3 מ"ר; מאירה 50 נוריות LED | קל יותר ב-87%; זול יותר ב-50%; מוכן לאגם | הביצועים משתנים בהתאם לגשם; מגבלות עמידות הסרט |
לכן, המחקר נמשך תוך התמקדות בשיפור היעילות באמצעות עיצובים טובים יותר, שימוש במים טבעיים כחלק מהמבנה, או אופטימיזציה של חומרים, כאשר החידושים האחרונים יוצרים מכשירים קלים, חסכוניים ואפילו צפים.
לפני מספר שנים, צוות חוקרים מאוניברסיטת העיר הונג קונג (CityU) מפותח2 DEG עם מבנה דמוי טרנזיסטור אפקט שדה (FET) שהושג יעילות המרת אנרגיה גבוהה. צפיפות ההספק המיידית שלו הייתה גבוהה בהרבה, גבוה פי אלפים בערך, מאשר עמיתיו ללא מבנה דמוי FET.
לעבודתם היו שני גורמים מרכזיים; האחד היה ממצא הצוות שכאשר טיפות מים רציפות פוגעות בפני השטח של פוליאטטראפלואורואתילן (PTFE), חומר דיאלקטרי בעל מטען חשמלי כמעט-קבוע, מטענים אלו מצטברים ומגיעים בהדרגה לרוויה. זֶה עזר לצוות להתגבר על צפיפות המטען הנמוכה שנתקלתי בה בעבר על ידי מתן דרך חדשה לאגור ולאחסן מטענים על פני השטח בעלי צפיפות גבוהה.
הגורם השני היה העיצוב שלהם, שהמאפיין המרכזי שלו היה קבוצה ייחודית של מבנים הדומים ל-FET. ההתקן מורכב של אלקטרודת אלומיניום ואלקטרודת PTFE/ITO, הכוללת אלקטרודת תחמוצת אינדיום-בדיל (ITO) שעליה שכבה של PTFE. כאשר טיפה פוגעת במשטח PTFE/ITO ומתפשטת עליו, היא מגשרת בין שתי האלקטרודות, והופכת את המערכת למעגל חשמלי סגור.
התכנון אפשר צפיפות גבוהה של מטענים על פני השטח להיאסף על ה-PTFE. ומתי המים המתפשטים מחברים את שתי האלקטרודות, מטענים מאוחסנים על ה-PTFE משתחררים במלואם כדי לייצר זרם חשמלי.
בעוד שתכנון CityU התמקד בהגברת צבירת מטען, צוות אחר מהאקדמיה הסינית למדעים פישט את הארכיטקטורה של ה-DEG כדי להפוך אותה ניתנת להרחבה יותר.
צוות החוקרים הסינים מוּצָע3 DEG עם מבנה פתוח פשוט לביצוע מלא לנצל אפקט הקיבול העצמי של האלקטרודה העליונה כדי לקדם את היישום הרחב יותר שלו.
העניין הוא שקשה לספק אנרגיה באופן רציף עבור ציוד אלקטרוני by DEG יחיד או יותר.
כפי שציין הצוות, בעת קציר אנרגיית טיפות גשם בקנה מידה גדול בשיפוע בניינים כמו סככות, שיטה פשוטה היא לחבר את כל ה-DEGs במקביל כדי לספק חשמל לעומס, כמו נורה. אז, בהתייחס למבנה התא של פאנל סולארי ובאמצעות ניצול מלא של אפקט הקיבול העצמי של האלקטרודה העליונה, הם הציגו את SCE-DEG עם מבנה פתוח פשוט., אשר הוא בעיקר עשוי of אלקטרודה עליונה ותחתונה, סרט PTFE ועומס.
האלקטרודות כאן לא צריכות לְחַבֵּר אחד לשני, אבל הספק פלט מיידי גבוה עדיין יכול להיות הושג על ידי הקיבול העצמי של האלקטרודה העליונה השפעה, מה שהופך את המבנה לפשוט ונוח הרבה יותר לפופולריות בקנה מידה גדול.
כאשר נבדק, הוא יכול לייצר הספק פלט של 212 מיליוואט על ידי טיפת מים של 61 מיקרוליטר ויכול לכוון אור ל-100 נורות LED מסחריות.
לאחרונה, חוקרים מהמכון המלכותי לטכנולוגיה KTH, שוודיה, התאימו את האלקטרודות התחתונות של DEG4 ל להפוך את שטחם להשוואה ל אזור הפריסה של מה היא טיפות מים פוגעות, אשר הוכפל עוצמת המוצא הממוצעת של תאים בודדים.
הצוות ייצר גם מערכים בקנה מידה גדול (30 תאים) שהשיגו הספק גבוה פי 2.5 בערך בהשוואה למערכים חדישים. יתר על כן, הם שילבו מערך מיקרו-סופר-קבלים (MSC) בקנה מידה גדול (400 תאים) כדי לאגור את החשמל שנוצר על ידי מערך הגנרטור בן 30 התאים ביעילות של 21.8%, מבלי להשתמש בשבב לניהול צריכת חשמל כלשהו.
שילוב זה יוצר מערכת כוח טעינה עצמית (SCPS) עם הספק יציאה של 81.2 מיקרו-וואט.
לאחר שמערך ה-DEG בן 30 התאים טוען את מערך ה-MSC בן 400 התאים למשך 30 שניות בלבד, ה-SCPS המשולב יכול לספק נורית LED שתפעל ברציפות למשך 60 שניות, "מה שמרמז על ההבטחה של האסטרטגיה לשלב מערכי DEG בקנה מידה גדול עם מערכי MSC אולטרה-מהירים בקנה מידה גדול כדי לבנות SCPS לאיסוף אנרגיה יעיל ביותר." ממים טבעיים ליישומים מעשיים."
אנרגיה צפה ב-W-DEG: נתיב קל משקל וחסכוני לאנרגיה המופעלת על ידי גשם
כעת, חוקרים מ מה היא אוניברסיטת נאנג'ינג לאווירונאוטיקה ואסטרונאוטיקה פיתחה פתרון חדש, DEG צף המשתמש במים טבעיים כמפתח חלק של המבנה שלה, כך מספקים קל משקל, במחיר סביר, ו דרך ידידותית לסביבה לייצור אנרגיה מתחדשת.
במקום שכבה דיאלקטרית המונחת על בסיס קשיח עם אלקטרודת מתכת מתחת, העיצוב החדש יש מַיִם משחק גם כבסיס תומך וגם כאלקטרודה מוליכה. גישה זו, ארכיטקטורת אלקטרודה-דיאלקטרי-מים מובילה, מקצץ שניהם מה היא משקל ועלות החומר ב-87% ו-50% בהתאמה, בהשוואה לדגמים ישנים יותר, תוך שמירה על רמת תפוקה חשמלית דומה והפגנת עמידות גבוהה in סביבות עבודה שונות.
פורסם ב סקירה מדעית לאומית5, המחקר מפרט את מסלול התכנון "המשולב בטבע" שהוביל לפיתוח של DEG צף חדשני המשולב במים (W-DEG) הממנף את הפונקציות החשמליות והמבניות של המים.
אופן הפעולה הוא שכאשר טיפות גשם, מקור מים מתוקים הנושאים אנרגיה בלתי מנוצלת, נוחתות על המשטח הדיאלקטרי הצף, סרט של אתילן-פרופילן פלואור (FEP) מגיב באופן מיידי. בהיותו אינרטי מבחינה כימית, סרט ה-FEP הדק עמיד בפני שינויי טמפרטורה קיצוניים, קורוזיה וצמיחה של אצות וחיידקים.
כאשר הטיפה מתפשטת, היא יוצרת זרם של יונים, הגורם להעברת מטען בין החלק העליון באזור ומטה אזור, לייצר כמות קטנה מאוד של חשמל. פני השטח מתאפסים כאשר הטיפה קופצת.
התכונות הטבעיות של המים כאן מספקות את היציבות המכנית הנדרשת כדי לבלום את הפגיעה ולאפשר לטיפות להתפשט ביעילות, מבלי להתכופף או להישבר.
תכונות טבעיות אלה כוללות מתח פנים חזק וחוסר דחיסות. מים נחשב כמעט בלתי דחיס, מה שאומר שהוא לא נדחס הרבה תחת לחץ. בינתיים, הלכידות החזקה בין מולקולות המים, הנגרמת על ידי קשרי מימן, יוצרת מתח פנים חזק.
יונים בתוך המים, בינתיים, משמשים כנושאי מטען, מה שמאפשר להם לפעול כאלקטרודה אמינה.
יחד, תכונות אלו מאפשרות לגנרטור הצף ליצור מתחי שיא של כ-250 וולט לכל טיפה, בדומה ל- הביצועים של עיצובים נוקשים מסורתיים אשר לעשות להשתמש of מַתֶכֶת.
העיצוב גם עמיד, כאשר בדיקות מראות שהגנרטור שמר על ביצועים בתנאים משתנים, כולל ריכוזי מלח שונים (עד 500 מילימולר נתרן כלורי), טמפרטורות ואפילו חשיפה למי אגם חיצוניים עם זיהום ביולוגי -בעיה משמעותית עבור מכשירים ימיים.
בעוד שמכשירי אנרגיה רבים מתכלים בסביבות קשות, הגנרטור הצף ממשיך לפעול ביציבות בזכות עמידותו של המבנה המבוסס על מים והאינרטיות הכימית של השכבה הדיאלקטרית.
כאשר נבדק במים מלוחים מאוד, הגנרטור נשמר שלה פונקציונלי לאחר שבוע of פריסה. ואם מצטברת עליו פסולת, ניקוי פשוט מחזיר אותו לביצועים מקסימליים.
כדי להגביר עוד יותר את יציבות המכשיר שלהם, הצוות ניצל את מה היא מתח פנים גבוה של מים לתכנן חורי ניקוז המאפשרים למים כניסה לעבור כלפי מטה בכיוון אחד בלבד. אז, על ידי באמצעות כוח הכבידה ומתח הפנים, הצוות יכול למתן מה היא לבנות של מזהמים ולשמור על ניקיון, כך יצירת מערכת ויסות עצמי להסרת כל טיפות עודפות. בדרך זו, נמנעת הצטברות מים, אשר אחרת עלולה להפחית את התפוקה.
היבט מרכזי נוסף של ה-W-DEG הצף הוא יכולת ההרחבה. עם גודל של 0.3 מטרים רבועים, החוקרים הוצג מחולל טיפות גדול בהרבה ממה שדווח בעבר יחידות. עם כל אחד של הגנרטורים האלה הפקת ~250 וולט לכל טיפה, הֵם יכול להפעיל 50 נוריות LED בו זמנית.
יתר על כן, המערכת הצליחה גם לטעון קבלים למתחים שימושיים תוך דקות ספורות. הצוות ניסה 10 מכשירי W-DEG והפיק גשם מדומה באמצעות 120 טפטפות גשם מדומות, אז טעון את הקבל ל שְׁלוֹשָׁה וולט, מה שמדגים את הפוטנציאל שלו להפעיל חיישנים אלחוטיים ואלקטרוניקה קטנה.
עם פיתוח נוסף, ניתן להשתמש במערכות אלו ל קציר חשמל מתחדש מאגמים, מאגרים, או אזורי חוף ללא תפיסת אדמה יקרת ערך משאבים.
"על ידי מתן אפשרות למים עצמם למלא תפקידים מבניים וחשמליים כאחד, פתחנו אסטרטגיה חדשה לייצור חשמל בטיפות שהיא קלת משקל, חסכונית וניתנת להרחבה", אמר פרופסור וואנלין גואו, שותף למחקר. "זה פותח את הדלת למערכות הידרו-וולטאיות ללא קרקע."טכנולוגיות שיכולות להשלים טכנולוגיות מתחדשות אחרות כמו אנרגיה סולארית ורוח."
באזורים את החוויה הזו גשמים תכופים, מחולל החשמל בטיפות צפה יכול לספק פתרון אנרגיה מבוזר שכוחות יישומים מחוץ לרשת החשמל או תוספים רשתות מקומיות.
בהשוואה למחולל טיפות מסורתי, שעולה כ-210 יואן (כ-29.50 דולר) למטר מרובע ומשקלו מעל ארבעה קילוגרמים (כ-8.818 פאונד), הגרסה הצפה של הצוות עולה כ-106 יואן (פחות מ-15 דולר) ומשקלה 0.5 קילוגרמים (1.1 פאונד) בלבד.
חוץ מזה איסוף מי גשם, למכשיר יכולים להיות יישומים נוספים הודות לפונקציונליות שלו לצוף באופן טבעי על משטחי מים. לדוגמה, ניתן לפרוס אותו in סביבות מימיות מגוונות להפעלת מערכות ניטור סביבתיות כמו חיישנים שעוקבים אחר זיהום, איכות מים או מליחות.
העיצוב המשולב בטבע שלו, איפה החומר השופע באופן טבעי משמש כמרכיב פונקציונלי, יכול גם לעורר גישות חדשות in טכנולוגיות מבוססות אקולוגיה.
אבל לפני שהמכשיר יוכל להיות פרוס בקנה מידה גדול, ישנם אתגרים שיש להתמודד איתם להתייחס ראשון. הגודל והמהירות המשתנים של טיפות גשם בפועל פירושו הביצועים של המכשיר יכול להיות מושפע. בנוסף, נדרשת הנדסה נוספת כדי להבטיח את החוסן והעמידות של סרטים דיאלקטריים גדולים בתנאי חוץ דינמיים.
למרות אתגרים אלה, תוצאות המעבדה היו מבטיחות, והדגמתו של אב טיפוס יעיל, עמיד וניתן להרחבה מסמנת צעד מפתח לקראת יישומים מעשיים של DEG צף משולב מים (W-DEG).
השקעה בטכנולוגיית איסוף מים
עֵצָה (XYL ) היא חברת טכנולוגיית מים גלובלית התמקדות על ניהול מים חכם, מעורב ב שילוב חיישנים, ניטור ומערכות זרימת מים.
מגזר תשתיות המים שלה מציע מוצרים כמו ציוד טיפול, מים, שפכים ו מי סערה משאבות ובקרות. מגזר המים היישומיים מכסה מוצרים לְרַבּוֹת משאבות, שסתומים, מחליפי חום וציוד דיוור, בעוד שמגזר פתרונות המדידה והבקרה (MCS) שלה בונה פתרונות מתקדמים לשימוש חכם במשאבים קריטיים, כמו גם מכשור אנליטי לבדיקת מים. מגזר הפתרונות והשירותים המשולבים מספק מערכות ציוד לתעשיות ולרשויות מקומיות.
Xylem גם ממנפת בינה מלאכותית כדי לנטר את זרימת המים ולזהות דליפות בזמן אמת. זֶה מאפשר לבעיות להתגלות בזמן ו אז תוקן במהירות, חוסך מים הורדה עלויות.
(XYL )
