ولا يمكن الوصول إلى جميع مصادر الطاقة على قدم المساواة: فالطاقة الشمسية تعتمد على الطقس، والرياح تعتمد على المناظر الطبيعية، والطاقة الكهرومائية تتطلب بنية تحتية. وعلى هذه الخلفية، يتجه الباحثون بشكل متزايد إلى العمليات التي تحدث في كل مكان تقريبًا. تبخر الماء هو مثل هذه العملية. في مقال رامبلر، اقرأ كيف تعلم العلماء توليد الكهرباء بهذه الطريقة.
لماذا يتبخر؟
لقد عُرفت الديناميكا الحرارية للتبخر منذ زمن طويل: فعندما يتحول الماء من سائل إلى بخار، يلزم وجود كمية كبيرة من الحرارة – حوالي 2250 جول لكل جرام. هذه هي الطاقة التي يأخذها الماء من البيئة عندما يتبخر، مما يقلل من درجة حرارة السطح ويحدث فرقًا في درجة الحرارة.
يتبخر الماء بشكل مستمر – من الأنهار والبحيرات والمحيطات والتربة والنباتات وحتى من سطح الجلد – ويحدث هذا بغض النظر عن الوقت من اليوم، طالما أن هناك حركة للحرارة والهواء. على عكس الألواح الشمسية التي تعتمد على ضوء الشمس أو توربينات الرياح التي تعتمد على الرياح، يمكن أن يحدث التبخر في أي مكان تقريبًا ذي سطح رطب ودافئ. وهذا يجعلها مصدرًا محتملاً للطاقة ولكن منخفض الكثافة نسبيًا.
كيف يعمل مولد البخار؟
تعتمد الأجهزة الحديثة التي تحول التبخر إلى كهرباء على المولدات الحرارية (TEG). إنهم يعملون على مبدأ بسيط: فرق درجة الحرارة بين سطحين يخلق جهدًا كهربائيًا.
اكتشاف العلماء الاستثنائي لاستنساخ الجينات
تم نشر أحد الأساليب، التي وصفها باحثون من الجامعة الصينية في هونغ كونغ وجامعة سنغافورة الوطنية، في مجلة Popular Mechanics. ويفترض البناء التالي:
- يتم وضع اثنين من المشتتات الحرارية على جانبي المولد الحراري.
- يتم ربط أحدهما بمادة كحول البولي فينيل المسامية (PVA) التي يتم ترطيبها باستمرار؛
- يتبخر الماء من سطح الجل، مما يؤدي إلى تبريده؛
- ويبقى الجانب الآخر في درجة الحرارة المحيطة.
يوفر التدرج الحراري بين الجانب الدافئ والجانب البارد الطاقة اللازمة لتوليد الكهرباء دون تحريك الأجزاء الميكانيكية. وفي مرحلة الاختبارات المعملية، يكون مثل هذا النظام قادرًا فقط على توليد مستويات مجهرية من الطاقة، تكفي، على سبيل المثال، لتشغيل شاشات العرض الصغيرة أو أجهزة الاستشعار.
ومع ذلك، رأى العلماء احتمال زيادة إنتاج الكهرباء. ويقدر المؤلفون أن الإمكانات يمكن أن تزيد بمقدار عشرة أضعاف عندما يتم تحسين المواد والتصميم.
مزايا وقيود التكنولوجيا
مواتية:
- التبخر هو عملية تحدث في كل مكان، وخاصة في المناطق الدافئة والرطبة التي لا تتأثر بأشعة الشمس المباشرة أو الرياح.
- لا توجد أجزاء متحركة كما ورد في AZoCleantech مما يبسط المعدات ويقلل تكاليف التشغيل.
- قد لا تكون مناسبة فقط للمهام عالية الطاقة ولكنها قد تكون مفيدة للأجهزة الصغيرة مثل أجهزة الاستشعار والأجهزة القابلة للارتداء وأجهزة إنترنت الأشياء.
حد:
- الكفاءة الحالية لهذه الأنظمة منخفضة للغاية – يتم تحويل حوالي 0.1٪ من الطاقة التبخرية إلى كهرباء، وهذا مشابه للمراحل الأولى من تطوير تقنيات الطاقة المتجددة الأخرى.
- يتطلب الجهاز مصدرًا ثابتًا للمياه من أجل التبخر، وبدونه سيفقد التأثير.
- لكي تصبح مصدرًا تنافسيًا للطاقة على نطاق واسع، يلزم تحسين المواد والتصميم والتكامل مع المصادر الأخرى بشكل كبير.
أين يمكن أن تكون هذه التقنيات مفيدة؟
التطبيقات الأولية الأكثر احتمالا للمولدات التبخرية هي في المناطق التي تتطلب مصدر طاقة مستمر، وإن كان صغيرا، دون الحاجة إلى بطاريات أو أسلاك:
- الإلكترونيات القابلة للارتداء – يمكن تشغيل أجهزة المراقبة الصحية وأجهزة الاستشعار الطبية والساعات جزئيًا عن طريق الرطوبة الخاصة بها أو البيئة.
- أجهزة الاستشعار البيئية – مراقبة التربة والمناخ وجودة الهواء في الأماكن النائية حيث يصعب تغيير البطاريات.
- تحتاج أجهزة إنترنت الأشياء منخفضة الطاقة إلى العمل لفترات طويلة دون الحاجة إلى الصيانة.
وفي المستقبل، قد تكون هناك أعمال أكثر طموحًا تستخدم التبخر من المسطحات المائية الكبيرة أو المنشآت الصناعية لتوليد الطاقة. لكن مثل هذه المشاريع لا تزال مفاهيمية وتتطلب سنوات من التطوير التقني.
لقد كتبنا سابقًا عن متى سيكون لدينا طاقة غير محدودة.