توسط : دانشمندان چینی موفق به ساخت مولد برق قطره‌ای شناور (DEG) شده‌اند که انرژی جنبشی قطرات باران را به برق تجدیدپذیر تبدیل می‌کند.
به گزارش ساینس‌دیلی، محققان دانشگاه هوانوردی و فضانوردی نانجینگ (NUAA) یک مولد برق قطره‌ای شناور (DEG) ساخته‌اند که انرژی جنبشی قطرات باران را بدون نیاز به سازه‌های سنگین زمینی، به انرژی تجدیدپذیر تبدیل می‌کند. برخلاف نمونه‌های سنتی زمینی که سنگین و پرهزینه‌اند، این دستگاه سبک و مقیاس‌پذیر است و از آب به‌عنوان جزء ساختاری و تولید برق استفاده می‌کند.
ساخت دستگاهی که انرژی قطرات باران را به برق تبدیل می‌کند
معمولاً ژنراتورهای برق قطره‌ای از یک بستر جامد و الکترود فلزی در قسمت پایین استفاده می‌کنند. وقتی یک قطره باران به فیلم دی‌الکتریک بالایی برخورد می‌کند، این ضربه سیگنال الکتریکی تولید می‌کند. اگرچه این روش می‌تواند صدها ولت تولید کند، اما به مواد سخت و پرهزینه متکی است که باعث محدودشدن استفاده گسترده از آن می‌شود.
حالا در این پژوهش، طراحی جدید رویکرد متفاوتی دارد و اجازه می‌دهد دستگاه روی سطح آب شناور باشد. در این پیکربندی، خود آب به‌عنوان پایه نگهدارنده عمل می‌کند و همچنین نقش الکترود رسانا را دارد. این طراحی یکپارچه با طبیعت، وزن دستگاه را حدود ۸۰ درصد کاهش داده و هزینه آن را تقریباً ۵۰ درصد پایین می‌آورد، درحالی‌که خروجی الکتریکی مشابه سیستم‌های سنتی حفظ می‌شود.
زمانی که یک قطره باران روی فیلم دی‌الکتریک شناور فرود می‌آید، آب زیر آن به‌خاطر غیرقابل فشرده بودن و کشش سطحی، نیروی لازم برای جذب ضربه را فراهم می‌کند. این ویژگی باعث می‌شود قطره به‌طور مؤثرتری روی سطح پخش شود. هم‌زمان، یون‌های موجود در آب به‌عنوان حامل‌های بار عمل می‌کنند و لایه آب را به یک الکترود قابل اعتماد تبدیل می‌کنند.
این اثرات ترکیبی باعث می‌شود ژنراتور شناور بتواند ولتاژ پیک بالایی در حدود ۲۵۰ ولت به‌ازای هر قطره تولید کند که سطح عملکردی مشابه دستگاه‌هایی دارد که از اجزای فلزی و بسترهای جامد استفاده می‌کنند.
ویژگی‌ها: سبک و ارزان
آزمایش‌ها نشان داد این مولد ۸۷ درصد سبک‌تر و ۵۰ درصد ارزان‌تر از مدل‌های معمولی DEG است و حتی در محیط‌های مختلف با دما و شوری متفاوت و حضور رسوبات زیستی عملکرد خود را حفظ می‌کند. برای بهبود طراحی، در این دستگاه سوراخ‌های زهکشی طراحی شده که حرکت آب را کنترل و اختلال در عملکرد الکتریکی را کاهش می‌دهد.
قابلیت مقیاس‌پذیری یکی از جنبه‌های امیدوارکننده این فناوری است. پژوهشگران یک دستگاه یکپارچه به مساحت ۰.۳ مترمربع ساختند که بسیار بزرگ‌تر از اکثر ژنراتورهای قطره‌ای پیشین است و نشان دادند که می‌تواند هم‌زمان ۵۰ چراغ LED را روشن کند. همچنین این دستگاه می‌تواند خازن‌ها را در چند دقیقه تا ولتاژ مفید شارژ کند و برای تغذیه دستگاه‌های الکترونیکی کوچک و حسگرهای بی‌سیم مناسب است. با توسعه بیشتر، این مولدها می‌توانند در دریاچه‌ها، مخازن و آب‌های نزدیک سواحل، بدون اشغال زمین، انرژی پاک تولید کنند.
وان‌لین گوئو، نویسنده مسئول مقاله، گفت: «ما با این کار نشان دادیم که می‌توان آب را هم‌زمان هم به‌عنوان ساختار و هم به‌عنوان تولیدکننده برق به‌کار گرفت. این استراتژی جدید، تولید برق از قطرات را سبک، ارزان و قابل‌گسترش کرده است و درهای سیستم‌های هیدروولتایی بدون نیاز به زمین را به روی ما باز می‌کند؛ سیستم‌هایی که می‌توانند مکمل خوبی برای انرژی خورشیدی و بادی باشند.»
کاربردهای این فناوری
تأثیر این پژوهش فراتر از برداشت انرژی از باران است. از آنجا که ژنراتور به‌صورت طبیعی روی آب شناور است، می‌تواند از سیستم‌های پایش محیط‌زیست در محیط‌های آبی مختلف، ازجمله حسگرهای کیفیت آب، شوری یا آلودگی، پشتیبانی کند.
در مناطقی که بارش باران مکرر دارند، این فناوری می‌تواند به‌عنوان منبع توزیع‌شده انرژی پاک برای شبکه‌های محلی عمل کند یا نیازهای خارج از شبکه را تأمین نماید. رویکرد «طراحی یکپارچه با طبیعت» که از مواد طبیعی فراوان مانند آب به‌عنوان اجزای کلیدی بهره می‌گیرد، ممکن است الهام‌بخش پیشرفت‌های آینده در فناوری‌های پایدار نیز باشد.
اگرچه نتایج آزمایشگاهی امیدوارکننده است، پژوهشگران تأکید می‌کنند که پیش از استفاده در مقیاس بزرگ، مطالعات بیشتری لازم است. قطرات باران واقعی از نظر اندازه و سرعت متفاوت‌اند و این تفاوت‌ها می‌تواند تولید انرژی را تحت تأثیر قرار دهد. حفظ دوام فیلم‌های دی‌الکتریک بزرگ در شرایط پویا و محیط باز نیز به مهندسی بیشتری نیاز دارد. با این حال، نمایش موفق یک نمونه اولیه پایدار، کارآمد و مقیاس‌پذیر، گامی مهم به‌سوی کاربردهای عملی این فناوری محسوب می‌شود.
این پژوهش در مجله National Science Review منتشر شده است.
اخیراً نیز محققان دستگاهی ساخته‌اند که از اختلاف دمای سطح زمین و محیط اطراف برق تولید می‌کند. همچنین محققان چینی پنل خورشیدی هیبریدی ساخته‌اند که می‌تواند انرژی جنبشی قطرات باران را به برق تبدیل کند.
