Μια νέα γεννήτρια ηλεκτρικής ενέργειας με σταγονίδια ενσωματωμένη στο νερό παράγει υψηλή ηλεκτρική ισχύ ενώ επιπλέει σε επιφάνειες νερού.
Πώς θα μετατραπεί το νερό σε ενέργεια
Οι σταγόνες βροχής δεν αποτελούν μόνο πηγή γλυκού νερού, αλλά μεταφέρουν επίσης αχρησιμοποίητη ενέργεια που πέφτει φυσικά από τον ουρανό. Οι επιστήμονες διερευνούν εδώ και καιρό τρόπους για να μετατρέψουν αυτό το νερό που πέφτει σε ηλεκτρική ενέργεια, αλλά οι παραδοσιακές γεννήτριες ηλεκτρικής ενέργειας με σταγονίδια έχουν αντιμετωπίσει προβλήματα όπως η χαμηλή απόδοση, η βαριά κατασκευή και οι περιορισμένες δυνατότητες κλιμάκωσης.
Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Αεροναυτικής και Αστροναυτικής του Ναντζίνγκ έχουν αναπτύξει τώρα μια νέα λύση: μια πλωτή γεννήτρια ηλεκτρικής ενέργειας με σταγονίδια που χρησιμοποιεί φυσικό νερό ως ουσιαστικό μέρος της δομής της. Αυτός ο σχεδιασμός παρέχει μια ελαφριά, προσιτή και οικολογική οδό προς την παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας. Τα ευρήματα της ομάδας εμφανίζονται στο National Science Review.
Στις περισσότερες συμβατικές γεννήτριες ηλεκτρικής ενέργειας με σταγονίδια, η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται όταν οι σταγόνες βροχής χτυπούν μια διηλεκτρική μεμβράνη που βρίσκεται σε μια άκαμπτη βάση με ένα μεταλλικό ηλεκτρόδιο από κάτω. Ενώ αυτά τα συστήματα μπορούν να παράγουν τάσεις εκατοντάδων βολτ, η εξάρτησή τους από στερεά και συχνά δαπανηρά υλικά τα καθιστά βαριά και ακριβά στην κατασκευή. Ο νέος σχεδιασμός υιοθετεί μια διαφορετική προσέγγιση, επιπλέοντας απευθείας στο νερό. Σε αυτήν τη διάταξη, το νερό λειτουργεί τόσο ως βάση στήριξης όσο και ως αγώγιμο ηλεκτρόδιο. Αυτή η ενσωμάτωση με τη φύση μειώνει το συνολικό βάρος του υλικού κατά περίπου 80% και το κόστος κατά περίπου 50% σε σύγκριση με τα παλαιότερα μοντέλα, διατηρώντας παράλληλα παρόμοια ηλεκτρική ισχύ.
Η Επιστήμη Πίσω από το Πιτσίλισμα
Όταν οι σταγόνες βροχής προσγειώνονται στην πλωτή διηλεκτρική επιφάνεια, οι φυσικές ιδιότητες του νερού - η ασυμπίεστη φύση του και η ισχυρή επιφανειακή τάση του - παρέχουν τη μηχανική σταθερότητα που απαιτείται για την απορρόφηση κάθε κρούσης και την αποτελεσματική εξάπλωση των σταγονιδίων. Εν τω μεταξύ, τα ιόντα μέσα στο νερό χρησιμεύουν ως φορείς φορτίου, επιτρέποντάς του να λειτουργεί ως αξιόπιστο ηλεκτρόδιο. Δουλεύοντας μαζί, αυτά τα χαρακτηριστικά επιτρέπουν στην πλωτή γεννήτρια να παράγει μέγιστες τάσεις περίπου 250 βολτ ανά σταγόνα, ταιριάζοντας με την απόδοση των παραδοσιακών σχεδίων που εξαρτώνται από μεταλλικά ηλεκτρόδια και άκαμπτες δομές.
Απεικονίσεις Δομής των Πλωτών και Χερσαίων Γεννητριών Ηλεκτρικής Ενέργειας από Σταγονίδια
Η συμβατική γεννήτρια ηλεκτρικής ενέργειας από σταγονίδια (C-DEG) χρησιμοποιεί ένα μεταλλικό ηλεκτρόδιο πυθμένα και ένα άκαμπτο υπόστρωμα και γενικά χρησιμοποιείται στην ξηρά. Αντίθετα, η νέα ενσωματωμένη στο νερό γεννήτρια ηλεκτρικής ενέργειας από πλωτές σταγόνες (W-DEG) χρησιμοποιεί νερό ως ηλεκτρόδιο πυθμένα και υπόστρωμα για να επιτρέψει εφαρμογές εκτός ξηράς και να προωθήσει την επεκτασιμότητα. Πίστωση: Science China Press
Άλλα πλεονεκτήματα
Η ανθεκτικότητα είναι ένα άλλο πλεονέκτημα του σχεδιασμού. Οι δοκιμές έδειξαν ότι η W-DEG διατήρησε την απόδοση σε ένα ευρύ φάσμα συνθηκών, συμπεριλαμβανομένων των μεταβαλλόμενων θερμοκρασιών, των συγκεντρώσεων αλατιού, ακόμη και της έκθεσης σε εξωτερικό νερό λίμνης με βιορρύπανση.
Σε αντίθεση με πολλές ενεργειακές συσκευές που υποβαθμίζονται σε σκληρά περιβάλλοντα, η πλωτή γεννήτρια συνέχισε να λειτουργεί σταθερά χάρη στη χημική αδράνεια του διηλεκτρικού στρώματός της και την ανθεκτικότητα της δομής της με βάση το νερό. Για να ενισχύσει περαιτέρω τη σταθερότητα, η ομάδα εκμεταλλεύτηκε την υψηλή επιφανειακή τάση του νερού για να σχεδιάσει οπές αποστράγγισης που επιτρέπουν στο νερό να διέρχεται προς τα κάτω αλλά όχι προς τα πάνω, δημιουργώντας ένα αυτορυθμιζόμενο σύστημα για την απομάκρυνση της περίσσειας σταγονιδίων. Αυτή η καινοτομία διασφαλίζει ότι η συσκευή αποφεύγει τη συσσώρευση νερού, η οποία διαφορετικά θα μπορούσε να μειώσει την απόδοση.
Κλιμάκωση και Ενίσχυση του Μέλλοντος
Η επεκτασιμότητα είναι μια πολλά υποσχόμενη πτυχή της πλωτής γεννήτριας ηλεκτρικής ενέργειας από σταγόνες. Οι ερευνητές επέδειξαν μια ενσωματωμένη συσκευή 0,3 τετραγωνικών μέτρων - σημαντικά μεγαλύτερη από τις προηγουμένως αναφερόμενες γεννήτριες σταγονιδίων - που θα μπορούσε να τροφοδοτήσει ταυτόχρονα 50 διόδους εκπομπής φωτός (LED). Το ενσωματωμένο σύστημα φόρτισε επίσης πυκνωτές σε χρήσιμες τάσεις μέσα σε λίγα λεπτά, δείχνοντας τη δυνατότητα να τροφοδοτεί μικρά ηλεκτρονικά και ασύρματους αισθητήρες. Με περαιτέρω ανάπτυξη, τέτοια συστήματα θα μπορούσαν να αναπτυχθούν σε λίμνες, δεξαμενές ή παράκτιες περιοχές, όπου θα συλλέγουν ανανεώσιμη ηλεκτρική ενέργεια χωρίς να καταλαμβάνουν πολύτιμους χερσαίους πόρους.
«Αφήνοντας το ίδιο το νερό να παίζει τόσο δομικό όσο και ηλεκτρικό ρόλο, έχουμε ξεκλειδώσει μια νέα στρατηγική για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από σταγονίδια που είναι ελαφριά, οικονομικά αποδοτική και κλιμακώσιμη», δήλωσε ο καθηγητής Wanlin Guo, αντίστοιχος συγγραφέας της μελέτης. «Αυτό ανοίγει την πόρτα σε υδροβολταϊκά συστήματα χωρίς γη που μπορούν να συμπληρώσουν άλλες ανανεώσιμες τεχνολογίες όπως η ηλιακή και η αιολική ενέργεια».
Οι επιπτώσεις αυτής της εργασίας εκτείνονται πέρα από τη συλλογή βρόχινου νερού. Επειδή η συσκευή επιπλέει φυσικά στις επιφάνειες του νερού, θα μπορούσε να αναπτυχθεί σε ποικίλα υδάτινα περιβάλλοντα για την τροφοδοσία συστημάτων παρακολούθησης του περιβάλλοντος, όπως αισθητήρες που παρακολουθούν την ποιότητα του νερού, την αλατότητα ή τη ρύπανση. Σε περιοχές με συχνές βροχοπτώσεις, θα μπορούσε να παρέχει μια λύση κατανεμημένης ενέργειας που συμπληρώνει τα τοπικά δίκτυα ή τροφοδοτεί εφαρμογές εκτός δικτύου. Επιπλέον, η έννοια του «σχεδιασμού που ενσωματώνεται στη φύση» - χρησιμοποιώντας άφθονα φυσικά υλικά όπως το νερό ως λειτουργικά συστατικά - θα μπορούσε να εμπνεύσει νέες προσεγγίσεις στην πράσινη τεχνολογία.
Οι ερευνητές σημειώνουν ότι ενώ τα εργαστηριακά αποτελέσματα είναι πολλά υποσχόμενα, εξακολουθούν να υπάρχουν προκλήσεις πριν από την ανάπτυξη σε μεγάλη κλίμακα. Οι πραγματικές σταγόνες βροχής ποικίλλουν σε μέγεθος και ταχύτητα, γεγονός που θα μπορούσε να επηρεάσει την απόδοση, και η διασφάλιση της ακεραιότητας μεγάλων διηλεκτρικών μεμβρανών σε δυναμικές εξωτερικές συνθήκες θα απαιτήσει περαιτέρω μηχανική. Ωστόσο, η επίδειξη ενός ανθεκτικού, αποτελεσματικού και κλιμακώσιμου πρωτοτύπου σηματοδοτεί ένα σημαντικό βήμα προς τις πρακτικές εφαρμογές.
www.worldenergynews.gr
