Thu hoạch điện từ sự bay hơi, hạt mưa và độ ẩm lấy cảm hứng từ thiên nhiên

Trang Chủ > Ấn Bản > Thu điện từ bốc hơi nước, hạt mưa và độ ẩm lấy cảm hứng từ thiên nhiên

Đập thủy điện và đập thủy triều không phải là cách duy nhất để khai thác điện sạch từ nước. CREDIT Năng lượng nghiên cứu Nano, Nhà xuất bản Đại học Thanh Hoa

Đập thủy điện và đập thủy triều không phải là cách duy nhất để khai thác điện sạch từ nước. TÍN DỤNG
Năng lượng Nghiên cứu Nano, Nhà xuất bản Đại học Thanh Hoa

Tóm tắt:
Hạt mưa, nước bay hơi và thậm chí cả độ ẩm trong không khí đều là những nguồn phát điện sạch phi tập trung tiềm năng, nhưng nhiều công nghệ tận dụng nguồn năng lượng rộng lớn và xung quanh này—nhiều công nghệ trong số đó được lấy cảm hứng từ kỹ thuật thu hoạch điện của thực vật và động vật—vẫn ở giai đoạn phòng thí nghiệm. Một nhóm các nhà nghiên cứu và kỹ sư đã cùng nhau thực hiện một cuộc khảo sát về những cơ hội và thách thức mà lĩnh vực còn rất non trẻ này phải đối mặt.

Thu điện từ sự bay hơi, giọt mưa và độ ẩm lấy cảm hứng từ thiên nhiên

Thanh Hoa, Trung Quốc | Đăng ngày 6 tháng 2023 năm XNUMX

Các đập thủy điện khổng lồ có lẽ là điều đầu tiên người ta nghĩ đến khi xem xét việc sản xuất điện bền vững, hoặc có thể là các đập thủy triều lớn. Nếu một người đã rất quen thuộc với tình trạng phát triển năng lượng sạch, thì người ta cũng có thể nhận thức được các bộ chuyển đổi năng lượng sóng trên mặt biển hoặc đáy biển chuyển đổi năng lượng từ sóng cường độ cao thành điện năng có thể sử dụng được.

Tất cả các tùy chọn này đều phụ thuộc vào các hình thức khai thác năng lượng chứa trong nước nặng nề, cồng kềnh và trên hết là tập trung. Tuy nhiên, có vô số con đường công nghệ tiềm năng khác có thể khai thác điện từ nước theo kiểu phi tập trung hơn nhiều, tận dụng sự hiện diện phổ biến của nước ở hầu hết mọi nơi trên Trái đất. Những thứ này sẽ tạo ra điện có thể sử dụng được từ các quá trình bay hơi, ngưng tụ, mưa, độ ẩm và thậm chí cả những dòng nước nhỏ ở quy mô của một giọt nước rơi ra khỏi lá và sóng rất nhỏ.

Các công nghệ được đề xuất dọc theo các hướng này tận dụng các hiện tượng vật lý khác nhau, bao gồm hiệu ứng áp điện (theo đó điện tích tích lũy để đáp ứng với tác dụng của ứng suất hoặc áp suất), điện ma sát (trong đó một số vật liệu nhất định trở nên tích điện sau khi chúng được tách ra khỏi vật liệu khác với mà chúng đã tiếp xúc), nhiệt điện (chuyển đổi nhiệt thành điện và ngược lại), và hiệu ứng thủy điện (trong đó điện được tạo ra thông qua tương tác giữa nước và vật liệu nano).

“Nước ở khắp mọi nơi. Nó có sẵn xung quanh như không có thực thể nào khác. Vì vậy, tất cả năng lượng sạch này chỉ nằm đó, không được sử dụng và chờ chúng ta tận dụng nó,” Zuankai Wang, tác giả bài báo của bài đánh giá và nhà nghiên cứu của Khoa Cơ khí tại Đại học Thành phố Hồng Kông, cho biết. “Thật hợp lý khi chúng tôi khai thác nguồn năng lượng khổng lồ này không chỉ để sản xuất điện số lượng lớn mà còn cho một loạt ứng dụng như cảm biến và thiết bị đeo được, nơi thu hoạch năng lượng ở quy mô vi mô phù hợp hơn nhiều với mục đích sử dụng. được đưa vào.

Tuy nhiên, phần lớn công việc phát triển các công nghệ năng lượng nước phân tán như vậy vẫn còn rất sơ khai. Nhiều ý tưởng trong phòng thí nghiệm cho các kỹ thuật khai thác năng lượng nước phân tán này có độ bền kém, khả năng mở rộng kém và tệ nhất là chuyển đổi năng lượng thấp. Vấn đề thứ hai này có nghĩa là đối với tất cả nỗ lực thu hoạch năng lượng từ các quy trình như vậy, không có nhiều thứ bị vắt kiệt.

Ví dụ, sự phát triển của các máy phát điện chạy bằng hơi nước trong không khí sử dụng các vật liệu cho đến nay có khả năng hấp thụ nước kém (bám dính vào bề mặt), dẫn đến sự tương tác không hoàn toàn giữa nước và vật liệu, tạo ra sản lượng điện thấp, và suy giảm thậm chí nhiều hơn khi đối mặt với môi trường khắc nghiệt.

“Tuy nhiên, phần còn lại của tự nhiên đã tìm ra hàng nghìn cách khác nhau để thực hiện chính xác điều này,” Wang nói thêm. “Sự tiến hóa về cơ bản đã hoàn thiện quá trình khai thác năng lượng từ các quá trình thủy văn xung quanh theo những cách cực kỳ hiệu quả.”

Ví dụ, lá sen ở quy mô vi mô và nano có cấu trúc cực kỳ kỵ nước cho phép các giọt nước lăn trên bề mặt của nó với lực cản cực kỳ thấp—về cơ bản là trên một lớp đệm không khí. Hiện tượng này đã truyền cảm hứng cho các kỹ sư nghiên cứu các bề mặt siêu thấm nước có kết cấu. Các bánh cóc 3D không đối xứng của lá Araucaria làm cho chất lỏng có sức căng bề mặt khác nhau chảy theo các hướng khác nhau. Và khả năng của nepenthes, nhóm thực vật ăn thịt còn được gọi là cây nắp ấm, dẫn chất lỏng đi qua cấu trúc bề mặt của nó, đã truyền cảm hứng cho các tác giả của bài báo đánh giá để phát triển một hệ thống 'bề mặt xốp thấm chất lỏng trơn trượt' (SLIPS) có thể đẩy lùi lỏng cực kỳ hiệu quả. Máy phát năng lượng nước với SLIPS bền bỉ cho phép sản lượng điện liên tục từ các giọt nhỏ trong môi trường khắc nghiệt với độ ẩm cao, nồng độ muối cao và thậm chí cả nhiệt độ cực thấp.

Và nó không chỉ là thực vật. Vì các máy phát điện chạy bằng nước rất phù hợp để thu năng lượng từ chuyển động của con người do khả năng biến dạng và kích thước nhỏ gọn của chúng, một nhóm các nhà nghiên cứu khác lấy cảm hứng từ màng lươn điện đã phát triển các cơ quan điện nhân tạo sử dụng các mảng hydrogel (các polyme có khả năng hấp thụ cao không hòa tan trong nước) hoạt động như các chất tương tự của các thành phần màng lươn.

Bất chấp sự bùng nổ trong việc phát triển kỹ thuật lấy cảm hứng từ sinh học, hay còn gọi là 'bionics', để khai thác năng lượng nước, thế hệ máy phát điện chạy bằng nước hiện nay phần lớn vẫn là đặc biệt. Các nhà nghiên cứu cảm thấy rằng cần khẩn trương xem xét toàn diện lĩnh vực này để đặt nó trên một nền tảng lý thuyết vững chắc hơn và xác định các lỗ hổng nghiên cứu nhằm hướng dẫn tốt hơn việc thiết kế các hệ thống và phát triển các vật liệu mới.

Đánh giá bao gồm các cơ chế sản xuất điện chính cho máy phát điện chạy bằng nước lấy cảm hứng từ sinh học. Nó cũng cung cấp một chuyến tham quan các thiết bị lấy cảm hứng từ sinh học khác nhau đã được phát triển, đặc biệt là sự bay hơi, độ ẩm, nước mưa, và máy phát điện điều khiển bằng sóng và dòng chảy, bao gồm ba trường hợp sử dụng: cảm biến, máy phát điện có thể đeo được và tự cung cấp năng lượng thiết bị điện tử.

Các nhà nghiên cứu kết luận rằng các cấu trúc cơ bản của việc phát điện bằng nước vẫn chưa được lý thuyết hóa, đặc biệt là cấu trúc vận chuyển và truyền điện tích, cũng như chuyển đổi năng lượng. Đáng chú ý nhất là không có lý thuyết tổng quát nào về sự truyền điện tích tại bề mặt tiếp giáp của vật liệu rắn và nước, và các cơ chế được đề xuất cho điều này vẫn còn đang được tranh luận sôi nổi.

Ngoài ra, dư lượng chất lỏng trên bề mặt rắn có thể làm giảm đáng kể sản lượng điện, và do đó, làm thế nào để tránh hoặc giảm dư lượng như vậy là một trong những con đường nghiên cứu quan trọng nhất cho lĩnh vực này. Hầu hết các nỗ lực đều tập trung vào các vi cấu trúc kết cấu trong các vật liệu tạo ra bề mặt siêu kỵ nước để đạt được sự tiếp xúc không hoàn toàn giữa chất lỏng và chất rắn. Mặc dù điều này tạo ra mức giảm cặn nước mong muốn, nhưng chắc chắn nó cũng hạn chế diện tích tiếp xúc giữa chất rắn và chất lỏng, làm giảm cảm ứng điện tích và do đó làm giảm sản lượng điện, tạo ra kết quả tương tự như cặn.

Ở những lĩnh vực khác, cải thiện khả năng hấp thụ nước từ môi trường sẽ là chìa khóa để cải thiện khả năng phát điện. Các nhà nghiên cứu khuyến nghị nên tập trung nhiều hơn vào nghiên cứu các sinh vật đã tiến hóa trong một thời gian dài ở những khu vực cực kỳ khô cằn, chẳng hạn như sa mạc.

Cuối cùng, các tác giả lưu ý rằng phần lớn thiết kế của máy phát điện chạy bằng nước lấy cảm hứng từ sinh học vẫn ở giai đoạn thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, với những thiết bị như vậy chỉ phải đối mặt với môi trường thử nghiệm khá nhẹ nhàng thay vì điều kiện khắc nghiệt và lộn xộn của thế giới thực.

Tuổi thọ của những công nghệ này ngay cả trong phòng thí nghiệm cũng chỉ tồn tại được vài ngày hoặc nhiều nhất là vài tháng. Điều này kém hơn so với tuổi thọ khoảng 25 năm của một tấm pin mặt trời hoặc nửa thế kỷ trở lên của một nhà máy hạt nhân hoặc đập thủy điện. Có thể có các trường hợp sử dụng, có lẽ trong các ứng dụng y tế, trong đó tuổi thọ ngắn gây ra một số vấn đề hoặc thậm chí là mong muốn, nhưng để áp dụng công nghệ rộng rãi hơn, tuổi thọ không đạt yêu cầu như vậy sẽ cần phải được khắc phục.

####

Giới thiệu về Nhà xuất bản Đại học Thanh Hoa
Giới thiệu về Năng lượng Nghiên cứu Nano

Nano Research Energy do Nhà xuất bản Đại học Thanh Hoa đưa ra với mục tiêu trở thành một tạp chí quốc tế, có khả năng truy cập mở và liên ngành. Chúng tôi sẽ công bố nghiên cứu về vật liệu nano tiên tiến hiện đại và công nghệ nano cho năng lượng. Nó được dành riêng để khám phá các khía cạnh khác nhau của nghiên cứu liên quan đến năng lượng sử dụng vật liệu nano và công nghệ nano, bao gồm nhưng không giới hạn ở việc tạo ra, chuyển đổi, lưu trữ, bảo tồn, năng lượng sạch, v.v. Nano Research Energy sẽ xuất bản bốn loại bản thảo, đó là, Thông tin liên lạc, các bài báo nghiên cứu, bài đánh giá và quan điểm dưới dạng truy cập mở.

Về SciOpen

SciOpen là một nguồn truy cập mở chuyên nghiệp để khám phá nội dung khoa học và kỹ thuật được xuất bản bởi Nhà xuất bản Đại học Thanh Hoa và các đối tác xuất bản của nó, cung cấp cho cộng đồng xuất bản học thuật công nghệ tiên tiến và khả năng dẫn đầu thị trường. SciOpen cung cấp các dịch vụ end-to-end thông qua việc gửi bản thảo, đánh giá ngang hàng, lưu trữ nội dung, phân tích, quản lý danh tính và tư vấn chuyên gia để đảm bảo sự phát triển của mỗi tạp chí bằng cách cung cấp một loạt các tùy chọn trên tất cả các chức năng như Bố cục Tạp chí, Dịch vụ Sản xuất, Dịch vụ Biên tập, Tiếp thị và Quảng cáo, Chức năng Trực tuyến, v.v. Bằng cách số hóa quy trình xuất bản, SciOpen mở rộng phạm vi tiếp cận, tác động sâu hơn và tăng tốc trao đổi ý tưởng.

Để biết thêm thông tin, xin vui lòng bấm vào tại đây

Liên hệ:
Diêu Mông
Nhà xuất bản Đại học Thanh Hoa
Văn phòng: 86-108-347-0574

Nếu bạn có một bình luận, xin vui lòng Liên hệ chúng tôi.

Các tổ chức phát hành tin tức, không phải 7th Wave, Inc. hay Nanotech Now, chỉ chịu trách nhiệm về tính chính xác của nội dung.

Bookmark: