این ویژگی نگاهی سریع به ده ها پروژه غیر معمول دارد که می توانند فراتر از فناوری های سنتی انرژی برای کمک به تأمین انرژیِ همه چیز، از حسگرهای کوچک گرفته تا خانه ها و مشاغل، باشند.
Na-TECC: ارزش نمک آن را دارد
شانون یی، استادیار دانشکده مهندسی مکانیک جورج وودروف جورجیا، در حال توسعه فناوری ای است که از انبساط ایزوترمال سدیم و گرمای خورشیدی برای تولید مستقیم برق استفاده می کند. این موتورِ تبدیل منحصر به فرد با نام "Na-TECC" (که مخفف ترکیبی از نماد شیمیایی سدیم با حروف اصلی "Thermo-Electro-Chemical Converter" و همچنین هم قافیه با "GaTech" است) شناخته می شود.خلاصه ای سریع به زبان تخصصی: یی توضیح داد که با هدایت حرارتی یک واکنش اکسایشی کاهشی سدیم در طرف های متقابل یک الکترولیت جامد، از گرمای تابش خورشید الکتریسیته تولید می شود. بارهای الکتریکی مثبت حاصل از الکترولیت جامد به دلیل پتانسیل الکتروشیمیایی تولید شده توسط گرادیان فشار، عبور می کنند، در حالی که الکترون ها از میان یک بار خارجی که در آن توان الکتریکی استخراج می شود، حرکت می کنند. در نهایت، این فرایند جدید منجر به بهبود کارایی و نشت کمتر گرما می شود.
تصویر: عکسی خلاقانه از یک نمکدان و یک کشاورز که نمک را کوبیده است.
هدف این است که به راندمانِ تبدیل حرارت به برقِ بیش از 45 درصد برسیم - این افزایش قابل ملاحظه ای در مقایسه با 20 درصد بازده برای موتور خودرو و 30 درصد برای اکثر منابع شبکه برق است.
این فناوری می تواند برای کاربردهای توزیع شده انرژی مورد استفاده قرار گیرد. یی گفت: "یک موتور Na-TECC می تواند در حیاط پشتی شما قرار گیرد و از گرمای خورشید برای تأمین انرژی کل خانه استفاده کند." همچنین می توان از آن در کنار منابع برق حرارتی دیگر مانند گاز طبیعی، زیست توده و هسته ای برای تولید مستقیم برق بدون جوشاندن آب و توربین های چرخان استفاده کرد. "
با حمایت مالی از برنامه SunShot وزارت انرژی (DOE) ، این تحقیق با همکاری Ceramatec Inc انجام می شود.
تصویر: شانون یی، استادیار دانشکده مهندسی مکانیک جورج دبلیو، می گوید: "یک موتور Na-TECC می تواند در حیاط پشتی شما بنشیند و از گرمای خورشید برای تامین انرژی کل خانه استفاده کند. "عکس از فطره حمید
نژاد جدید بتاولتائیک ها
در پروژه دیگری، گروه یی از ضایعات هسته ای برای تولید برق استفاده می کند - بدون راکتور و بدون قطعات متحرک.با حمایت مالی از آژانس پروژه های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی (DARPA) (Defense Advanced Research Projects Agency) و همکاری با دانشگاه استنفورد، محققان فناوری ای را شبیه به دستگاه های فتوولتائیک توسعه داده اند با یک استثنا: به جای استفاده از فوتون های خورشید، از الکترون های پرانرژی ساطع شده از محصولات جانبی هسته ای استفاده می کنند.
تصویر: مرد مینیاتوری با کلاه ایمنی زرد، در مزرعه ایستاده است.
فناوری Betavoltaic از دهه 1950 وجود داشته است، اما محققان بر تریتیوم یا نیکل 63 به عنوان ساطع کننده های بتا تمرکز کرده اند. یی گفت: "ایده ما این بود که این فناوری را از دیدگاه انتقال تابش مجدداً مورد بررسی قرار دهیم و از استرانسیوم -90، ایزوتوپ شایع در زباله های هسته ای، استفاده کنیم".
استرانسیوم -90 منحصر به فرد است زیرا دو الکترون پرانرژی در طی فرآیند زوال خود ساطع می کند. علاوه بر این، طیف انرژی استرانسیوم -90 به خوبی با معماری طراحی که قبلاً در سلول های خورشیدی سیلیکونی کریستالی استفاده شده است، هماهنگ است، و بنابراین می تواند دستگاه های تبدیل بسیار کارآمدی را تولید کند.
در آزمایشات مقیاس آزمایشگاهی با منابع پرتو الکترونی، محققان به بازدهی تبدیل توان بین 4 تا 18 درصد دست یافته اند. با پیشرفت های مستمر، یی معتقد است دستگاه های بتاولتائیک در نهایت می توانند با توانی حدود 30 وات به طور مداوم به مدت 30 سال انرژی تولید کنند – که دارای 40000 برابرِ انرژی متراکم تر از باتری های لیتیوم یونی فعلی است. برنامه های اولیه شامل تجهیزات نظامی است که برای مدت زمان طولانی به انرژی کم نیاز دارد یا دستگاه های موجود در مکان های دور افتاده که تغییر باتری در آنها مشکل ساز است را شامل می شود.
ژنراتورهای انعطاف پذیر
گروه یی همچنین پیشگام استفاده از پلیمرها در ژنراتورهای ترموالکتریک (TEGs) (thermoelectric generators) است.دستگاه های حالت جامد که مستقیماً گرما را بدون حرکت قطعات به الکتریسیته تبدیل می کنند، یا TEG ها، معمولاً از نیمه رساناهای معدنی ساخته می شوند. با این حال، پلیمرها به دلیل انعطاف پذیری و هدایت حرارتی پایین، مواد جذابی در این رابطه هستند. این ویژگی ها طراحی هوشمندانه ای را برای دستگاه های با عملکرد بالا که می توانند بدون خنک کننده ی فعال کار کنند، ایجاد می کند، که هزینه های تولید را به میزان چشمگیری کاهش می دهد.
محققان پلیمرهای نیمه رسانای نوع P و N را با مقادیر بالای ZT (معیار کارآیی برای مواد ترموالکتریک) توسعه داده اند. یی گفت: "ما می خواهیم به مقادیر ZT 0.5 برسیم و در حال حاضر در حدود 0.1 هستیم، بنابراین فاصله زیادی نداریم."
تصویر: مرد مینیاتوری روی تراشه کامپیوتر سرامیکی ایستاده است.
در یکی از پروژه های تأمین شده توسط دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی، این تیم یک TEG شعاعی ایجاد کرده است که می تواند در اطراف هر لوله آب گرم پیچیده شود تا از گرمای اضافی آن برق تولید کند. چنین ژنراتورهایی می توانند برای تغذیه منابع نوری یا شبکه های حسگر بی سیم، که شرایط محیطی یا فیزیکی از جمله دما و کیفیت هوا را تحت نظر دارند، مورد استفاده قرار گیرند.
یی گفت: "ترموالکتریک هنوز محدود به کاربردهای خاص پسند و منفرد است، اما در برخی شرایط می تواند جایگزین باتری ها شود." "و نکته مهم در مورد پلیمرها این که ما می توانیم به معنای واقعی کلمه این مواد را به صورت رنگ یا اسپری استفاده کنیم که برق تولید می کنند."
این امر فرصت هایی را در دستگاه های پوشیدنی باز می کند، از جمله لباس یا جواهرات که می توانند به عنوان یک ترموستات شخصی عمل کرده و یک ضربان سرد یا گرم به بدن شما ارسال کنند. مسلماً این کار را می توان در حال حاضر با ترموالکتریک های معدنی انجام داد، اما این فناوری منجر به شکل سرامیکی حجیم می شود. پلاستیک و پلیمر گزینه های راحت تر و شیک تری را امکان پذیر می کنند. "
وی افزود اگرچه برای کاربردهای مقیاس شبکه مناسب نیست، اما چنین دستگاه هایی می توانند صرفه جویی قابل توجهی را ایجاد کنند.
بازیافت امواج رادیویی
محققان به سرپرستی مانوس تنتزریس یک دستگاه جمع آوری انرژی الکترومغناطیسی توسعه داده اند که می تواند انرژی کافی از طیف فرکانس رادیویی (RF) (radio frequency) را برای کارکرد دستگاه های اینترنت اشیاء (IoT) (Internet of Things)، پوست های هوشمند و حسگرهای شهرهای هوشمند و وسایل الکترونیکی پوشیدنی جمع آوری کند.تنتزریس، استاد دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر در جورجیا تِک، توضیح می دهد که برداشت امواج رادیویی چیز جدیدی نیست، اما تلاش های قبلی محدود به سیستم های برد کوتاه بوده که در فاصله متر از منبع انرژی واقع شده اند. تیم او اولین تیمی است که برداشت طولانی مدت انرژی را در فاصله 7 مایلی از منبع نشان داد.
تصویر: دستگاهی برای جمع آوری انرژی الکترومغناطیسی
محققان در سال 2012 از فناوری خود رونمایی کردند و ده ها میکرو وات را از یک کانال تلویزیونی UHF برداشت کردند. از آن زمان، آنها به طور چشمگیری توانایی جمع آوری انرژی از چندین کانال تلویزیونی، Wi-Fi ، تلفن همراه و دستگاه های الکترونیکی دستی را افزایش داده اند که این سیستم را قادر می سازد تا قدرت را به میزان میلی وات برداشت کند. ویژگی های بارز این فناوری عبارتند از:
* آنتن های پهن باند فوق العاده که می توانند سیگنال های متنوعی را در محدوده فرکانسی مختلف دریافت کنند.
* پمپ های شارژ منحصر به فرد که شارژ را برای بارهای دلخواه و سطح توان RF محیط بهینه می کند.
* آنتن ها و مدارات، چاپ سه بعدی جوهر افشان روی کاغذ، پلاستیک، پارچه یا مواد ارگانیک، که انعطاف پذیری کافی برای پیچاندن در هر سطحی را دارند. (این فناوری از اصول تا شدن کاغذ اریگامی برای ایجاد ساختارهای پیچیده تغییر شکل "هوشمند" استفاده می کند که در پاسخ به سیگنال های الکترومغناطیسی ورودی خود را مجدداً پیکربندی می کنند.)
محققان به تازگی دستگاه برداشت را برای کار با سایر دستگاه های جمع آوری انرژی سازگار کرده و یک سیستم هوشمند ایجاد کرده اند که محیط را کاوش می کند و بهترین منبع انرژی محیط را برای جمع آوری انتخاب می کند. علاوه بر این، این دستگاه، ترکیبی از اشکال مختلف انرژی، مانند جنبشی و خورشیدی، یا الکترومغناطیسی و ارتعاشی است.
اگرچه کارهایی برای مقیاس بندی فرایند چاپ باقی مانده است، تجاری سازی تحقیقات با حمایت بنیاد ملی علوم می تواند ظرف دو سال انجام شود.
ارتعاشات خوب Pickin’Up
در رویکرد دیگری برای جمع آوری انرژی، محققان دانشکده مهندسی مکانیک فناوری جورجیا با انرژی پیزوالکتریک پیشرفت می کنند – که فشار مکانیکی از ارتعاشات محیط را به الکتریسیته تبدیل می کند.آلپر ارتورک، استادیار آکوستیک و دینامیک که رهبر ساختارهای هوشمند و آزمایشگاه سیستم های دینامیکی جورجیا تِک است، توضیح داد که دانشمندان بیش از یک دهه در حال تحقیق در این زمینه بوده اند، اما فناوری ها به طور گسترده تجاری نشده اند، زیرا برداشت پیزوالکتریک بسیار بستگی به مورد و کاربرد دارد.
ماشین های برداشت کنونی انرژی پیزوالکتریک بر رفتار رزونانس خطی تکیه می کنند و برای به حداکثر رساندن توان الکتریکی، فرکانس تحریک منابع محیطی باید با فرکانس رزونانس برداشت کننده مطابقت داشته باشد. ارتورک گفت: "حتی یک ناهماهنگی جزئی منجر به کاهش شدید قدرت خروجی می شود و سناریوهای متعددی در این مورد وجود دارد."
در پاسخ، گروه ارتورک پیشگام طرح های پویای غیر خطی و محاسبات پیچیده برای توسعه دستگاه های برداشت پیزوالکتریک پهن باند بوده که در طیف وسیعی از فرکانس ها کار می کنند. در واقع، یکی از طرح های اخیر آنها، یک برداشت کننده M شکل، می تواند حتی با ورودی های ارتعاشی در حد میلی g، خروجی ای در حد میلی وات به دست آورد – که افزایشی 660 درصدی در پهنای باند فرکانس در مقایسه با نمونه های خطی است. ارتورک گفت: "ماشین های برداشت کننده غیر خطی دارای رفتار رزونانس ثانویه هستند، که این می تواند تبدیل بالای فرکانس را در ماشین های برداشت MEMS که از بالا بودن رزونانس دستگاه در مقایسه با فرکانس های ارتعاش محیط رنج می برند، مقدور سازد. "
اگرچه خروجی الکتریکی از ماشین های برداشت ارتعاش کوچک است، اما هنوز هم می توان با آنها سنسورهای بی سیم برای نظارت بر سلامت ساختمان در پل ها یا هواپیماها، وسایل الکترونیکی پوشیدنی یا حتی ایمپلنت های پزشکی را تغذیه کرد. ارتورک می گوید: "برداشت پیزوالکتریک می تواند زحمت تعویض باتری را در بسیاری از دستگاه های کم مصرف مرتفع کند -که این باعث تمیزی بیشتر، راحتی بیشتر و صرفه جویی قابل توجه در طول زمان می شود."
توان مالشی به راه درست
Triboelectricity یا برق مالشی یا برق اصطکاکی قادر به تولید یک بار الکتریکی از اصطکاک ناشی از تماس دو ماده مختلف است. این پدیده اگرچه قرن هاست که شناخته شده است، اما به دلیل غیرقابل پیش بینی بودن آن تا حد زیادی به عنوان منبع انرژی نادیده گرفته شده است.با این حال، محققان به رهبری ژونگ لین وانگ، پروفسور Regents در دانشکده علوم و مهندسی مواد جورجیا، نانو ژنراتورهای تریبوالکتریک جدیدی (TENGs) (triboelectric nanogenerators) جدیدی ایجاد کرده اند که اثر تریبوالکتریک و القای الکترواستاتیک را ترکیب می کند. با برداشت انرژی مکانیکی تصادفی، این ژنراتورها می توانند به طور مداوم دستگاه های کوچک الکترونیکی را به کار وادارند.
اولین TENG در سال 2012 آغاز به کار کرد. و با استفاده از ضربه پا، جریان متناوب کافی را برای تغذیه بانک های LED ایجاد کرد. از آن زمان به بعد، محققان بر روی فناوری خود پافشاری کرده و یک سیستم خود شارژ را توسعه داده اند که نه تنها جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل می کند، بلکه دارای یک واحد مدیریت توان است که با تغییرات حرکت انسان سازگار می شود.
تصویر: افراد کوچکی که روی iPad با تصویر مزارع و کنتورهای برق ایستاده اند.
پشت این نقاط عطف اخیر یک طراحی دو مرحله ای وجود دارد: ابتدا TENG یک خازن کوچک را شارژ می کند. سپس انرژی به یک دستگاه ذخیره سازی نهایی (یک خازن یا باتری بزرگ تر) منتقل می شود که با امپدانس خروجی ژنراتور مطابقت دارد و ولتاژ و خروجی ثابت مناسب را فراهم می کند. پنج ثانیه ضربه زدن کف، جریان کافی را برای به کار انداختن قفل بی سیم درب ماشین ایجاد می کند.
Simiao Niu ، دانشجوی کارشناسی ارشد و نویسنده ارشد مقاله ای که اخیراً در مجله Nature Communications منتشر شده است، می گوید: "مدار مدیریت قدرت، کلید افزایش بهره وری است." بدون مدار، راندمان شارژ زیر 1 درصد است، اما با آن ما توانسته ایم کارآیی 60 درصدی را نشان دهیم. ”
وانگ با اشاره به سنسورهای دما، دستگاه های اندازه گیری ضربان قلب، گام شمار، ساعت، ماشین حساب علمی و فرستنده های بی سیم RF گفت: "این واقعاً تعداد برنامه های ممکن را افزایش می دهد."
اگرچه سیستم خودکار در ابتدا برای جذب انرژی بیومکانیکی انسان ایجاد شد، اما محققان چهار حالت مختلف برای تبدیل سایر منابع انرژی مکانیکی محیطی مانند امواج اقیانوس، وزش باد، ضربه های صفحه کلید و چرخش لاستیک ایجاد کرده اند.
تصوبر: ژونگ لین وانگ. ژونگ لین وانگ، استاد دانشگاه، دانشکده علوم و مهندسی مواد، می گوید: "سیستم تریبوالکتریک واقعاً تعداد برنامه های ممکن را افزایش می دهد. "عکس از راب فلت.
آنتن یکسو ساز یا رکتن اپتیکی
محققان به سرپرستی باراتونده کولا، دانشیار دانشکده مهندسی مکانیک فناوری جورجیا، اولین رکتن (Rectenna) شناخته شده را توسعه داده اند – فناوری ای که می تواند کارآمدتر از سلول های خورشیدی امروزی و ارزان تر باشد.رکتن ها، که بخشی از آنتن و قسمتی یکسو کننده هستند، انرژی الکترومغناطیسی را به جریان الکتریکی مستقیم تبدیل می کنند. ایده اصلی از دهه 1960 مطرح شد، اما تیم کولا با تکنیک های ساخت در مقیاس نانو و فیزیک های مختلف این امکان را فراهم آورد. او توضیح داد: "ما به جای تبدیل ذرات نور، کاری که سلول های خورشیدی انجام می دهند، امواج نور را تبدیل می کنیم."
کلیدهای این فناوری آنتن های کوچکی هستند که با طول موج نور (حدود یک میکرون) مطابقت دارند و یک دیود فوق سریع - که تا حدی با ساخت آنتن روی یکی از فلزات دیود به دست می آید. کولا این فرایند را شرح می دهد:
* نانولوله های کربنی به صورت عمودی روی یک بستر رشد می کنند.
* با استفاده از رسوب لایه اتمی، نانولوله ها با اکسید آلومینیوم پوشانده می شوند تا به عنوان عایق عمل کند.
* لایه های بسیار نازک فلزات کلسیم و آلومینیوم در بالای آن قرار می گیرد تا به عنوان آند عمل کند.
تصویر: مرد مینیاتوری جلوی تلویزیون کوچک ایستاده است.
با برخورد نور به نانولوله های کربنی، یک بار از طریق یکسو کننده حرکت می کند، که با خاموش و روشن شدن، یک جریان مستقیم کوچک ایجاد می شود. ساختار فلز – عایق – فلز - دیود به اندازه کافی سریع است که با سرعت 1 کوادریلیون بار در ثانیه باز و بسته شود.
از نظر عملکرد، دستگاه ها در حال حاضر فقط زیر 1 درصد کارایی دارند. از آن جا که نظریه با آزمایشات آزمایشگاهی مطابقت دارد، کولا امیدوار است کارایی طیف وسیع را به 40 درصد برساند (که برای سلول های خورشیدی سیلیکون 20 درصد کارایی دارد). سایر مزایای مهم: رکتن نوری در دمای بالا کار می کند و تولید انبوه باید ارزان باشد. این فناوری همچنین می تواند با فرکانس های مختلف تنظیم شود، بنابراین از رکتن می توان به عنوان یک آشکارساز یا در برداشت انرژی استفاده کرد.
محققان در حال حاضر بر کاهش مقاومت تماس و رشد نانولوله ها در بسترهای انعطاف پذیر برای کاربردهایی که نیاز به خم شدن دارند، متمرکز شده اند. این کار توسطDARPA ، مرکز سیستم های جنگ فضایی و دریایی و دفتر تحقیقات ارتش پشتیبانی شده است.
تصویر: باراتونده کولا، دانشیار فناوری جورجیا، قدرت تولید شده توسط تبدیل نور لیزر سبز به الکتریسیته را با استفاده از یک رکتن نوری نانولوله کربنی اندازه گیری می کند. عکس ها از راب فلت.
منبع: تی.جی. بکر، rh.gatech