التخطي إلى المحتوى

هناك العديد من الطرق الفريدة التي يمكننا من خلالها توليد الطاقة من هطول الأمطار, سواء كنت تقوم بتخزين مياه الأمطار على إرتفاعات لتشغيل التوربينات أو استخدامها مباشرة للحصول على الكهرباء كهرضغطية، فإن التكنولوجيا الحديثة جعلت أي شيء ممكنًا تقريبًا.

إقرأ أيضاً: ما هو دور توليد الكهرباء في نظام الطاقة؟

هل سبق لك أن نظرت إلى سقوط المطر وتساءلت عن الإمكانات غير المستغلة في تلك القطرات الصغيرة من الماء في الكهرباء؟ حسنا, إذا كان لديك فأنت لديك عقل جيد للعلم والفيزياء, ويبحث الباحثون في جميع أنحاء العالم حاليًا في جدوى إستخدام هطول الأمطار كمصدر للطاقة, وقد حققوا بالفعل الكثير من التقدم في هذا المجال ذي الأهمية المتزايدة.

ما مقدار الطاقة التي تمتلكها قطرات المطر؟

المياه في السحابة تمتلك الطاقة الكامنة كفضيلة لإرتفاعها, ويمكن قياس طاقة الجاذبية المحتملة للجسم بضرب طوله (فيما يتعلق بسطح الأرض) بوزنه وثابت الجاذبية (9.8 م / ث 2 ), دعونا ننظر إلى هذا بطريقة أكثر وضوحا.

لنفترض أن مدينتك تتلقى 100 سم من الأمطار سنويًا (يبلغ متوسط ​​هطول الأمطار السنوي في الولايات المتحدة الأمريكية حوالي 77 سم – تقرير المناخ), ويبلغ سقف منزلك حوالي 200 متر مربع (الحجم القياسي), وهذا يصل إلى حوالي 20 م 3 أو 20 كجم من الماء, بالنظر إلى أن قطرات المطر تأتي من غيوم ستراتوس, على ارتفاع 2000 متر تقريبًا, فإن هذا يصل إلى ما يقرب من 400 ميغا جول أو 111 كيلوواط ساعي من الطاقة الكامنة الضائعة ويبدو أنه عدد قليل, ولكن عند النظر على مساحة حوالي 1 كم 2 وكمية الطاقة “هبوط” سيكون كافيا لتشغيل حوالي 1000 منزلا.

ما هو المصدر النهائي لهذه الطاقة؟

تمامًا مثل معظم مصادر الطاقة الأخرى على كوكبنا, يستمد هطول الأمطار طاقته من الشمس, والشمس هي المضخة النهائية التي تغذي جميع أشكال الحياة والموارد, عند سطح الأرض تبلغ كثافة طاقة الشمس حوالي 1000 واط / م 2 لوضع هذا في المنظور الصحيح, إذا كان يمكن تحويل كل طاقة ضوء الشمس التي تشع سطح الأرض في تكساس وحدها إلى كهرباء, فإن الطاقة المولدة تعادل 300 ضعف إجمالي الطاقة التي تنتجها جميع محطات الطاقة في العالم!

يستخدم جزء كبير من الإشعاع الشمسي الذي يصيب كوكبنا في تبخير المياه من المحيطات والبحار والأنهار, ويعمل الاختلاف في درجات الحرارة في الجو, مرة أخرى بسبب إمتصاص أجزاء مختلفة من الغلاف الجوي لكميات مختلفة من الحرارة الشمسية كمضخة ويسحب الماء المتبخر لأعلى مع ملء الطاقة الكامنة في العملية.

الطاقة من تخزين الأمطار

تولد محطات توليد الطاقة الكهرومائية حوالي 6.5٪ من الكهرباء المستهلكة في الولايات المتحدة, ويرتفع هذا العدد إلى 13.5 ٪ للهند, حيث ان الطاقة الكهرومائية هي أنظف شكل من أشكال الطاقة حولها وإنتاجها بسيط إلى حد ما, الماء المتساقط من ارتفاع مناسب على التوربينات يدفعه إلى الحركة, ويرتبط التوربينات بدينامو والذي يحول الطاقة الميكانيكية إلى كهرباء.

بإستخدام طريقة مماثلة لتلك المستخدمة في محطات توليد الطاقة الكهرومائية, إكتشف العلماء أن خزانًا كبيرًا يقع فوق سطح الأرض لجمع المطر يمكن أن يستخدم بعد ذلك الماء المتساقط لتشغيل التوربينات, وستكون هذه الطريقة فعالة للغاية في مواسم الأمطار عندما تتوفر إمدادات مستمرة نسبيًا من المياه.

تسخير الطاقة الحركية لهطول الأمطار

أي جسم يسافر في بعض السرعة يمتلك طاقة حركية, وينطبق الشيء نفسه على قطرات المطر, يبلغ قطر سقوط المطر الكبير الذي يبلغ قرابة ربع بوصة سرعة سقوط المحطة حوالي 20 ميلًا في الساعة أو حوالي 10 أمتار في الثانية, وأشارت الأبحاث الحديثة إلى أنه يمكن إستغلال الطاقة الحركية لقطرات المطر بإستخدام مواد معينة مثل PVDF (فلوريد البولي فينيل إيدن), الذي يمتلك خواص كهرضغطية.

ما هي المواد كهرضغطية؟

بيزو هي اليونانية ل “الضغط”, وبالتالي فإن المواد الكهروإجهادية هي تلك التي تولد الجهد الكهربائي (أو الكهرباء) إستجابة للإجهاد الميكانيكي المطبق, المواد التي توضح تأثير كهرضغطية توضح أيضًا التأثير المعاكس, والذي يسمى تأثير كهرضغطية العكس, وهذا يعني أنه عند تطبيق شحنة كهربائية تصبح مشوهة, ويمكن أن تكون هذه المواد بلورية أو خزفية أو حتى مواد بيولوجية مثل العظام والبروتينات.

الكهروإجهادية هي مواد بلورية قياسية ذات هياكل غير متماثلة, ومع ذلك فهي محايدة كهربائياً, حيث أن الشحنات الموجبة تساوي الأحمال السلبية وتوازن بعضها البعض, ومع ذلك عندما يتم ضغط هذه المواد يكون هيكلها مشوهًا, مما يجعل بعض الذرات أقرب إلى بعضها البعض, وهذا يزعزع توازن الشحنة الموجبة والسالبة, وبالتالي يخلق إمكانات كهربائية, يُعد الكوارتز أحد أكثر المواد الكهروإجهادية شيوعًا, وتستخدم بلورات الكوارتز الصغيرة للحفاظ على الوقت في الساعات والأجهزة الإلكترونية مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة.

كيف تقوم أدوات كهرضغطية بتحويل الأمطار إلى كهرباء؟

الإهتزازات الناجمة عن قطرات الماء التي تسقط على مواد كهرضغطية ستولد الضغط, وسيؤدي هذا الضغط إلى حدوث عطل غير مرن (إختلاف في الإمكانات) فوق سطح المادة الكهرضغطية مثل تيتانيت الزركون الرصاص (PZT), وبالتالي تحويل الطاقة الميكانيكية من قطرات المطر إلى طاقة كهربائية.

تعتبر المواد الكهروإجهادية مفيدة بشكل خاص لجمع وتخزين الشحنات الكهربائية الصغيرة, مثل تلك التي تنتجها الأجهزة الكهربائية, أو في حالتنا قطرات الماء المتساقطة عند هذه النقطة, قد تتساءل …. إذا كان تسخير الطاقة من هطول الأمطار أمرًا سهلاً فلماذا لا يتم استخدامه بشكل متكرر؟ حسنا … هذا هو السبب.

مشاكل مع طاقة المطر

القضية الأولى هي معدل التحويل: لا يمكن للأجهزة الكهروإجهادية استخراج سوى حوالي 12 مللي واط من الطاقة من قطرة المطر, وهذا أقل من 0.001 كيلو واط ساعة لكل متر مربع – وهو ما يكفي بشكل أساسي لتشغيل جهاز إستشعار عن بعد, علاوة على ذلك هذه الأجهزة غالية الثمن وتتطلب صيانة دورية.

الألواح الشمسية هي أكثر كفاءة بكثير من جميع الأساليب المذكورة أعلاه لمقارنة كفاءة الخلايا الشمسية, وسنحتاج إلى بناء خزانات على إرتفاع كيلومتر واحد أو أكثر! بناء حاوية مرتفعة عن الأرض غير قابل للتطبيق اقتصاديًا, لا سيما عند مقارنتها بتكلفة تغطية نفس المنطقة في الخلايا الكهروضوئية.

كلمة أخيرة

تشير المواد التي تم تطويرها مؤخرًا مثل خلايا الجرافين الشمسية التي يمكنها توليد تيار كهربائي من خلال إنهيار الأملاح في المطر, إلى وجود أكثر من طريقة لإستخدام إمكانات مياه الأمطار, ومع تطور التكنولوجيا الجديدة كل يوم فإن الإستخدام التجاري لطاقة المطر لا يبدو بعيد المنال.

من حيث الطاقة التي يتم إنتاجها ربما لن تتمكن قطرات المطر من التنافس مع محطة كهرومائية أو خلايا شمسية, ومع ذلك لديهم ميزة رئيسية واحدة وهي مجانية … من يدري … من خلال التكنولوجيا المتطورة بإستمرار لدينا, فإن توليد الطاقة النظيفة يمكن أن يكون قريبًا مثل التنزه في أمطار الربيع!

المصدر: science abc

التعليقات

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *