تجميع الطاقة من قطرات المطر باستخدام تقنية الألواح الشمسية

عندما تسقط قطرات المطر من السماء، يمكن أن تنتج كمية صغيرة من الطاقة التي يمكن حصادها وتحويلها إلى كهرباء، هذه نسخة صغيرة الحجم من الطاقة الكهرومائية، والتي تستخدم الطاقة الحركية لتحريك المياه لإنتاج الكهرباء.

اقترح الباحثون، أن الطاقة التي يتم جمعها من قطرات المطر يمكن أن تكون مصدرًا محتملاً للطاقة النظيفة والمتجددة، فقد كان من الصعب تطوير هذه التكنولوجيا على نطاق واسع ، مما حد من تطبيقها العملي.

لتجميع طاقة قطرات المطر، تم إثبات أن جهازًا يسمى مولد النانو الكهروضوئي (TENG) ، والذي يستخدم كهربة التلامس السائل والصلب، نجح في حصاد الكهرباء من قطرات المطر.

تعمل هذه التقنية أيضًا على حصاد الطاقة بنجاح من الأمواج والأشكال الأخرى لتوليد الطاقة الكهربائية الاحتكاكية السائلة والصلبة .

ومع ذل ، فإن TENG التي تعتمد على القطرات لها قيود فنية تتمثل في توصيل أكثر من واحدة من هذه اللوحات معًا، مما يقلل من إجمالي خرج الطاقة. توضح ورقة بحثية نُشرت مؤخرًا كيف أن نمذجة ألواح D-TENG بعد مصفوفات الألواح الشمسية تجعل حصاد طاقة قطرات المطر أكثر كفاءة ، مما يوسع نطاق تطبيقها.

تم نشر الورقة في iEnergy ، وقال تسونج لي، الأستاذ بكلية تسينجهوا شنتشن الدولية للدراسات العليا بجامعة تسينجهوا في الصين، “على الرغم من أن D-TENGs تتمتع بقدرة خرج فورية عالية جدًا، إلا أنه لا يزال من الصعب على D-TENG واحد توفير الطاقة بشكل مستمر للمعدات الكهربائية على مستوى ميجاواط، لذلك، من المهم جدًا تحقيق الاستخدام المتزامن لـ D-TENGs المتعددة” ، مضيفا “بالإشارة إلى تصميم الألواح الشمسية التي يتم فيها توصيل العديد من وحدات توليد الطاقة الشمسية بالتوازي لتزويد الحمل، فإننا نقترح طريقة بسيطة وفعالة لحصاد طاقة قطرات المطر.”

عندما يتم توصيل عدة D-TENGs ، هناك سعة اقتران غير مقصودة بين القطب العلوي للوحات والقطب السفلي، تعمل سعة الاقتران غير المقصودة على تقليل خرج الطاقة لمصفوفات D-TENG لتقليل تأثير هذه المشكلة، اقترح الباحثون مولدات مصفوفة الجسر، والتي تستخدم مصفوفة أقطاب كهربائية سفلية لتقليل تأثير السعة.

كهربة الاحتكاك

عندما تسقط قطرات المطر على سطح اللوحة، فإن عملية تسمى كهربة الاحتكاك تنتج وتخزن الطاقة من المطر، عندما تسقط القطرة على سطح اللوحة، تسمى سطح FEP ، تصبح القطرة مشحونة إيجابًا، ويكون سطح FEP مشحونًا بشكل سلبي.

قال لي: “كمية الشحنة المتولدة عن كل قطرة صغيرة وسوف تتبدد الشحنة السطحية على محطة FEP تدريجياً، وبعد فترة طويلة على السطح، سوف تتراكم الشحنات على سطح FEP تدريجياً إلى التشبع”، “في هذه المرحلة، يتم موازنة معدل تبديد شحنة سطح FEP مع كمية الشحنة الناتجة عن كل تأثير للقطرة.”

من أجل إثبات نجاح مولدات صفيف الجسر باستخدام الأقطاب الكهربائية السفلية للصفيف، تمت مقارنة D-TENG التقليدي بمولدات صفيف الجسر، قارن الباحثون أيضًا أداء مولدات مصفوفة الجسر بأحجام مختلفة من الأقطاب الكهربائية الفرعية.

تقليل فقد الطاقة غير المقصود

تمت دراسة سماكة الألواح أيضًا لمعرفة ما إذا كان لذلك تأثير على أي فقد للطاقة، تؤدي زيادة سماكة سطح FEP إلى تقليل سعة الاقتران مع الحفاظ على كثافة شحن السطح، وكلاهما يمكن أن يحسن أداء مولد صفيف الجسر.

عندما تم تطوير مولدات مصفوفة الجسور لتجميع طاقة قطرات المطر واستخدام مصفوفة الأقطاب الكهربائية السفلية وهياكل ارتداد الجسر، يمكن أن تكون لوحات تجميع قطرات المطر مستقلة عن بعضها البعض، هذا يعني أنه يمكن تقليل فقد الطاقة غير المقصود.

وأضاف لي، “إن ذروة إنتاج الطاقة لمولدات مصفوفة الجسر أعلى بحوالي 5 مرات من طاقة قطرات المطر التقليدية ذات المساحة الكبيرة بنفس الحجم، حيث تصل إلى 200 واط لكل متر مربع، مما يُظهر مزاياها بالكامل في حصاد طاقة قطرات المطر على مساحة كبيرة، وستوفر نتائج هذه الدراسة مخططا مجديا لحصاد طاقة قطرات المطر على مساحة كبيرة “.