التخطي إلى المحتوى

توجد العديد من الطرق التي يمكن من خلالها توليد الطاقة من خلال الأمطار، وذلك سواء كنت تريد تخزين مياه الأمطار على الإرتفاعات لتساعد في تشغيل التوربينات، أو في حال إستخدامها بشكل مباشر للحصول على الكهرباء الكهروضغطية، ولكن التكنولوجيا الحديثة قد جعلت الكثير من الأشياء ممكنة.

يمكن أن تكون قد نظرت إلى مياه الأمطار وتساءلت حول الإمكانيات التي يمكن إستغلالها في تلك القطرات في الكهرباء، فإذا كان الأمر كذلك، فأنت لديك عقل جيد للعلم والفيزياء، حيث يبحث الباحثون دائمًا في جميع أنحاء العالم عن جدوى إستخدام الأمطار كمصدر للطاقة، وقد حققو بالفعل الكثير من التقدم حول هذا الأمر ذو الأهمية المتزايدة.

ما مقدار الطاقة التي تمتلكها قطرات الأمطار

مياه الأمطار و الكهرباء

تمتلك المياه الطاقة كفضيلة لإرتفاعها، ويمكن قياس الجاذبية المحتملة للجسم بضرب الطول (فيما يتعلق بسطح الأرض) بالوزن وثابت الجاذبية، (9.8 م / ث 2)، لذلك دعونا نفترض أن المدينة تتلقى 100 سم من الأمطار سنويًا (يبلغ متوسط ​​هطول الأمطار السنوي في الولايات المتحدة الأمريكية حوالي 77 سم – تقرير المناخ)، ولنفترض أيضًا بأن إرتفاع سقف المنزل حوالي 200 متر مربع (الحجم القياسي)، وهذا يصل إلى حوالي 20 م 3 أو 20 كجم من الماء، وبالنظر إلى الماء الذي يأتي من غيوم ستراتوس على إرتفاع 2000 متر تقريبًا، فقد يصل ذلك إلى ما يقرب من 400 ميغا جول أو 111 كيلوواط ساعي من الطاقة الكامنة الضائعة، وقد يبدو بأن هذا العدد قليل جدًا، ولكن النظر على مساحة حوالي 1 أو 2 كم، بالإضافة إلى كمية الطاقة “هبوط”، فمن الممكن أن يكون ذلك كافيًا لتشغيل حوالي 1000 منزلا.

ما هو المصدر النهائي لهذه الطاقة

توليد الكهرباء من مياه الأمطار

تستمد الأمطار الطاقة من الشمس، وذلك تمامًا مثل معظم مصادر الطاقة الأخرى على كوكب الأرض، ويمكننا القول بأن الشمس هي المضخة النهائية لجميع أشكال الحياة، حيث تبلغ طاقة الشمس عند سطح الأرض حوالي 1000 واط / م 2 لوضع هذا في المنظور الصحيح، وإذا كنت تريد وضع طاقة الشمس التي تشع في تكساس وحدها إلى الطاقة، فقد تعادل الطاقة التي يتم توليدها 300 ضعف إجمالي الطاقة التي تنتجها جميع محطات الطاقة في العالم!

يتم إستخدام جزء كبير من الإشعاع الشمسي الذي يُصيب كوكب الأرض في تبخير المياه في الكثير من الأماكن والبحار، حيث يعمل الإختلاف في درجة الحرارة في الجو كمضخة ليسحب الماء المتبخر إلى الأعلى، وذلك مع ملء الطاقة الكامنة في العملية، ويتم ذلك الأمر بسبب إمتصاص الأجزاء المختلفة من الغلاف الجوي للكميات المختلفة من حرارة الشمس.

الطاقة من تخزين الأمطار

الطاقة والكهرباء

يتم توليد حوالي 6.5٪ من الطاقة الكهرومائية من الكهرباء المُستهلكة في الولايات المتحدة، ويمكن أن يرتفع هذا العدد إلى حوالي 13.5٪ في الهند، حيث أن الطاقة الكهرومائية هي أنظف شكل للطاقة، ويكون تحويلها وإنتاج بسيط إلى حد ما، كما أن الماء يتساقط من الإرتفاع على التوربينات التي تدفعه إلى الحركة، وترتبط التوربينات بالدينامو الذي يحوّل الطاقة الميكانيكية إلى الكهرباء.

إكتشف العلماء بأنه إذا كان هناك خزانًا كبيرًا يقع فوق سطح الأرض لجمع الأمطار، فقد يتم إستخدام بعض الطرق التي يتم إستخدامها في محطات توليد الطاقة الكهربائية لتشغيل التوربينات، ويمكن في هذه الحالة أن تكون الطريقة فعّالة للغاية في مواسم الأمطار عندما تتوفر الإمدادات المستمرة نسبيًا من المياه.

تسخير الطاقة الحركية لهطول الأمطار

الطاقة والكهرباء

يمتلك أي جسم يُسافر بعض السرعة طاقة حركية، ويمكن أن نقول بأن الشيء نفسه ينطبق على سقوط قطرات المطر، حيث يبلغ قطر سقوط المطر قرابة ربع بوصة، وذلك حسب سرعة سقوط المحطة حوالي 20 ميلًا في الساعة، أو حوالي 10 أمتار في الثانية، كما أشارت الأبحاث الحديثة بأنه يمكن إستغلال الطاقة الحركية لقطرات المطر بإستخدام مواد معينة مثل PVDF (فلوريد البولي فينيل إيدن)، والتي تمتلك الخواص الكهرضغطية.

ما هي المواد الكهرضغطية

الطاقة والكهرباء

المواد الكهروإجهادية هي تلك المواد التي تولّد الجهد الكهربائي (أو الكهرباء) إستجابة للإجهاد الميكانيكي المطبق، وهي المواد التي توضح تأثير الكهرضغطية (الكهرباء الإنضغاطية) والتأثير المعاكس لها، ويمكننا تسميته أيضًا بتأثير عكس الكهرضغطية، وذلك ما يعني أنه عند تطبيق شحنه الكهرباء، فإن الكهرباء تُصبح مشوهة للغاية، ومن الممكن أن تُصبح بلورية أو خزفية، أو حتى مواد بيولوجية مثل العظام والبروتينات.

لكي يتم تعريف الكهروإجهادية، فإنها المواد البلورية القياسية وذات الهياكل الغير متماثلة، ومع ذلك فهي محايدة كهربائيًا، حيث أن الشحنات الموجبة لها تساوي الأحمال السلبية وتوازنها، ويتم ضغط هذه المواد لتكون مشوهة هيكليًا، وبالتالي فقد يجعل ذلك الذرات أقرب إلى بعضها البعض، مما يمكن أن يزعزع الشحنة الموجبة والسالبة، وقد يخلق ذلك الأمر إمكانيات الكهرباء، وذلك لأن الكوارتز هو أحد أكثر المواد شيوعًا للكهروإجهادية، والتي تُستخدم للحفاظ على الوقت في الساعات والأجهزة الإلكترونية مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة.

كيف تقوم الأدوات الكهرضغطية بتحويل الأمطار إلى الكهرباء

الماء والكهرباء

تولد الإهتزازات الناجمة عن قطرات الماء التي تسقط على المواد الكهرضغطية الضغط، ويمكن لذلك أن يؤدي إلى حدوث عطل غير مرن (إختلاف في الإمكانات) فوق سطح المادة الكهرضغطية – مثل تيتانيت الزركون الرصاص (PZT)، وبالتالي يتم تحويل الطاقة الميكانيكية من قطرات المطر إلى طاقة كهربائية.

تعتبر المواد الكهروإجهادية مفيدة بشكل خاص لجمع وتخزين الشحنات الكهربائية الصغيرة، مثل تلك التي يتم إنتاج الأجهزة الكهربائية من خلالها، ومن الممكن أن تتسائل حول السؤال الذي يقول: إذا كان تسخير الطاقة من هطول الأمطار أمرًا سهلاً، فلماذا لا يتم إستخدامه بشكل متكرر؟

مشاكل طاقة المطر مع الكهرباء

مشاكل المطر مع الكهرباء

يمكننا القول في البداية بأنه لا يمكن للأجهزة الكهروإجهادية بأن تستخرج إلا حوالي 12 مللي واط من الطاقة من مياه الأمطار، وهذا يكون أقل من 0.001 كيلو واط ساعة لكل متر مربع – وهو ما يكفي لتشغيل جهاز الإستشعار عن بعد، علاوة على ذلك فإن هذه الأجهزة الكهربائية تكون غالية الثمن، وقد تتطلب صيانة دورية.

قد تكون الألواح الشمسية أكثر كفاءة من الأساليب التي تم ذكرها أعلاه لمقارنة كفاءة الخلايا الشمسية، حيث أننا سنحتاج إلى بناء خزانات المياه على إرتفاع كيلومتر واحد أو أكثر، وبناء حاوية مرتفعة عن الأرض غير قابل للتطبيق إقتصاديًا، لا سيما عند مقارنتها بتكلفة تغطية نفس المنطقة في الخلايا الكهروضوئية.

في الختام

تُشير المواد التي تم تطويرها مؤخرًا مثل خلايا الجرافين الشمسية، والتي تولّد التيار الكهربائي عن طريق الأملاح في الأمطار، إلى وجود الكثير من الطرق لإستخدام إمكانيات مياه الأمطار، ومع تطور التكنولوجيا في كل اليوم، فقد لا يكون الإستخدام التجاري لطاقة المطر بعيدًا عن المنال.

المصادر

  1. حصاد الطاقة من المطر – إطّلع عليه بتاريخ 24/01/2020
  2. طاقة المطر: حصاد الطاقة من السماء – إطّلع عليه بتاريخ 24/01/2020
  3. هطول الأمطار كمصدر للطاقة – إطّلع عليه بتاريخ 24/01/2020
  4. طاقة الشمس – إطّلع عليه بتاريخ 24/01/2020

التعليقات

اترك تعليقاً

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