فناوری‌های در حال ظهور انرژی‌های تجدیدپذیر

به گزارش گروه علم و فناوری خبرگزاری آنا-هانا حیدری؛ بسیاری از تکنولوژی‌های انرژی تجدیدپذیر در آینده تکمیل خواهند شد و حتی ممکن است پتانسیل رقابت با فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر کنونی را داشته باشد اما برای به حقیقت پیوستن آنها به توجه کافی، تحقیقات و توسعه نیاز است.

سازمان‌های زیادی در دانشگاه‌ها، دولت‌ها و بخش‌های خصوصی وجود دارند که در حال مطالعه روی انرژی‌های تجدیدپذیر هستند. این تحقیقات روی بهبود بهره‌وری و افزایش تولید کلی متمرکز شده است. آزمایشگاه ملی ساندیا و آزمایشگاه انرژی تجدیدپذیر ملی آمریکا دو مورد از برجسته‌ترین سازمان‌هایی هستند که در این زمینه تحقیقات می‌کنند.

در ادامه با برخی از تکنولوژی‌های انرژی تجدیدپذیر آشنا می‌شوید:

سیستم‌های زمین گرمایی پیشرفته

سیستم‌های زمین گرمایی نوعی جدیدی از تکنولوژی‌های انرژی زمین گرمایی هستند که نیازی به منابع هیدروترمال همرفتی طبیعی ندارند. قسمت عظیمی از انرژی زمین گرمایی با حفاری سنگ‌های خشک و غیرمتخلخل قابل دسترس است. تکنولوژی‌های زمین گرمایی پیشرفت کرده‌اند و با استفاده از تحریک هیدرولیکی می‌توانند منابع زمین گرمایی را از این سنگ‌های خشک و داغ بیرون بکشند.

انتظار می‌رود که سیستم‌های زمین گرمایی و تکنولوژی‌های سنگ خشک و داغ، مانند زمین گرمایی هیدروترمال، منابع پایه‌ای باشند و مانند نیروگاه‌های سوخت فسیلی 24 ساعته انرژی تولید کنند. استفاده از سیستم‌های زمین گرمایی و تکنولوژی‌های سنگ خشک و داغ در هر نقطه‌ای از جهان امکان‌پذیر است.

سیستم‌های زمین گرمایی و سنگ خشک و داغ در فرانسه، استرالیا، ژاپن، آلمان، آمریکا و سوئد در حال توسعه هستند. بزرگ‌ترین پروژه سیستم زمین گرمایی جهان یک نیروگاه 25 مگاواتی در استرالیا است. این نیروگاه می‌تواند 5000 تا 10000 مگاوات انرژی تولید کند.

اتانول سلولزی

چندین پالایشگاه وجود دارند که می‌توانند زیست توده را پردازش کنند و آن را به اتانول تبدیل کنند؛ این پالایشگاه‌ها توسط کمپانی‌هایی مانند «پوئت»، «لوگن» و «ابنگوا» ساخته شده‌اند در حالی که کمپانی‌هایی مانند «ورنیوم»، «نووزیم» و «دیادیک» آنزیم‌هایی تولید می‌کنند که قادر به تجدید ساختاری هستند.

انرژی دریایی

انرژی دریایی یا انرژی اقیانوسی به انرژی گفته می‌شود که از امواج دریا، جزر و مد، شوری و اختلاف دمای آب گرفته می‌شود. حرکت آب در اقیانوس باعث ایجاد انرژی جنبشی یا انرژی حرکتی می‌شود. می‌توان این انرژی را ذخیره کرد و از آن برای تولید برق خانگی، حمل و نقل یا صنعتی استفاده کرد.

انرژی دریایی که شامل انرژی امواج سطحی و انرژی جزر و مد می‌شود، از انرژی جنبشی آب به دست می‌آید. الکترودیالیز معکوس، فناوری برای تولید برق است که در آن آب تازه رودخانه و آب شور دریا با هم ترکیب می‌شوند در سلول‌های انرژی بزرگی که برای این کار طراحی شده‌اند، ریخته می‌شوند. در سال 2016، این فناوری در مقیاس کوچکی، 50 کیلو وات، آزمایش شد.

انرژی بادی ساحل یک شکل از انرژی دریایی محسوب نمی‌شود، حتی اگر توربین‌های بادی در ساحل یا در آب کار گذاشته شده باشند، چراکه منشا انرژی بادی، باد است.

اقیانوس‌ها مقادیر زیادی انرژی دارند و این توانایی را دارد که منابع قابل توجهی از انرژی تجدیدپذیر جدید را برای جهان فراهم کند.

انرژی خورشیدی تجربی

سیستم‌های فتوولتائیک متمرکز، نور خورشید متمرکز را روی سطوح فتوولتائیک می‌تابانند تا برق تولید کنند. دستگاه ترموالکتریک یا ترموولتیک یک مبدل است که اختلاف دمای بین مواد ناهمسان را به جریان برق تبدیل می‌کند.

صفحات خورشیدی شناور

صفحات خورشیدی شناور یک سیستم فتوولتائیک است که روی سطح ذخایر منابع آب آشامیدنی، دریاچه‌های معدنی، کانال‌های آبیاری یا استخرهای زهکشی قرار می‌گیرند. یک مجموعه کوچک از این سیستم در فرانسه، هند، ژاپن، کره جنوبی، انگلستان، سنگاپور و آمریکا وجود دارد.

گفته می‌شود که این سیستم‌های شناور مزایایی دارند که صفحات فتوولتائیک خشکی از آنها محروم است. برای مثال کارگذاری این صفحات در خشکی هزینه بیشترس دارد. همچنین قوانین کمتری برای این ساخت سازه‌های شناور وجود دارد.

برخلاف بسیاری از نیروگاه‌های خورشیدی خشکی، صفحات خورشیدی شناور می‌توانند ساده باشند چراکه از دید عموم مردم پنهان هستند. همچنین صفحات خورشیدی شناور نسبت به پنل‌های خورشیدی خشکی بازدهی بیشتری دارند چراکه آب پنل‌ها را خنک می‌کند.

صفحات خورشیدی شناور پوشش ویژه‌ای دارند که از زنگ زدگی و خوردگی جلوگیری می‌کند. در ماه مه سال 2008، یک کمپانی در کالیفرنیا اولین سیستم صفحات خورشیدی شناور را نصب کرد؛ این سیستم 994 پنل فتوولتائیک شناور داشت و ظرفیت آن 477 کیلووات بود.

از آن پس مزرعه‌های صفحات فتوولتائیک شناور در مقیاس بزرگ ساخته شد. بزرگ‌ترین مزرعه صفحات خورشیدی دنیا در ژاپن ساخته خواهد شد که 13/4 مگاوات ظرفیت دارد و مجهز به 50000 هزار پنل خورشیدی است.

صفحات خورشیدی شناور مقاوم در برابر شوری آب نیز در حال توسعه هستند که می‌توان از آنها در اقیانوس‌ها استفاده کرد. در حال حاضر بزرگ‌ترین مزرعه خورشیدی شناور در آمازون برزیل قرار دارد که ظرفیت آن 350 مگاوات است.

پمپ حرارتی خورشیدی

پمپ حرارتی دستگاهی است که انرژی گرمایی را از یک منبع گرمایی به یک سینک گرمایی می‌برد. پمپ‌های حرارتی طراحی شده است تا عمل انتقال انرژی از نقطه مبدا (کم دما) به نقطه مقصد که دارای دمای بیشتر است را انجام دهد. پمپ حرارتی خورشیدی یک سیستم یکپارچه متشکل از پنل‌های خورشیدی و یک پمپ خورشیدی است.

معمولا برای تولید آب گرم از این دو تکنولوژی استفاده می‌شود اما به صورت جداگانه. در این سیستم پنل حرارتی خورشیدی به عنوان منبع گرمایی دمای پایین عمل می‌کند و گرمای تولید شده برای تغذیه تبخیرکننده پمپ استفاده می‌شود. هدف این سیستم تولید انرژی با بازدهی بیشتر و قیمت کم‌تر است.

در کنار پمپ حرارتی می‌توان از هر نوع پنل حرارتی، صفحه‌ای، لوله‌ای یا هیبریدی، استفاده کرد. استفاده از پنل هیبریدی بهتر است چراکه بخشی از برق مصرفی پمپ حرارتی را پوشش می‌دهد و مصرف انرژی را کاهش می‌دهد.

فتوسنتز مصنوعی

در فتوسنتز مصنوعی از روش‌های نانوتکنولوژی برای ذخیره انرژی الکترومغناطیسی خورشیدی موجود در پیوندهای شیمیایی استفاده می‌کند؛ برای مثال مولکول آب را تجزیه می‌کند تا هیدروژن تولید کند، سپس با استفاه از دی‌اکسید کربن متانول تولید می‌کند.

دانشمندان فعال در این زمینه تلاش هستند تا مولکولی طراحی کنند که فتوسنتز را شبیه‌سازی می‌کند. این مولکول از طیف خورشیدی گسترده‌تری استفاده می‌کند تا از مواد ارزان و فراوان سیستم‌های کاتالیزوری تولید کند که قوی و قابل تعمیر باشد، در هر شرایط محیطی پایدار باشد، بازدهی بیشتری داشته باشد و انرژی فوتون بیشتری را ذخیره کند.

تحقیقات در زمینه فتوسنتز مصنوعی با مشکلات زیادی روبه‌رو است؛ دانشگاه MIT در سال 2012 موفق به ساخت پیل سوختی شد که با استفاده از نور خورشید هیدروژن تولید می‌کرد اما به دلیل بازدهی پایین تولید نمونه‌های اولیه آن متوقف شد.

سوخت جلبکی

تولید سوخت مایع از انواع جلبک‌های پر روغن یکی از موضوعات داغ مطالعاتی است. دانشمندان در حال آزمایش انواع میکروجلبک‌های پرورش یافته در سیستم‌های باز یا بسته هستند؛ برخی از این سیستم‌ها قابل استفاده در سرزمین‌های بیابانی و کوهستانی هستند.

هوایپمای خورشیدی

یک هوایپمای برقی به جای موتورهای احتراق برقی مجهز به موتور برقی است. برق مورد نیاز این موتورها از سلول‌های سوختی، سلول‌های خورشیدی، ابرخازن‌ها، باتری‌ها یا انرژی تابشی تامین می‌شود.

در حال حاضر پرواز اکثر هواپیماهای برقی سرنشین‌دار آزمایشی است یا جنبه نمایشی دارد. بسیاری از هواپیماهای خودران انرژی مورد نیاز خود را با باتری تامین می‌کنند. هواپیماهای مدل برقی از دهه 1970 در آسمان به پرواز درآمدند؛ اولین هواپیمای برقی سرنشین‌دار در سال 1973 در آسمان پرواز کرد.

در 2016 یک هواپیما برقی مجهز به پنل خورشیدی توانست به طور کامل دور زمین پرواز کند.

برج مکشی خورشیدی

برج مکشی خورشیدی یک نیروگاه انرژی تجدیدپذیر برای تولید برق از گرمای خورشیدی است.

در این روش با استفاده از یک کلکتور گلخانه‌ای که در اطراف یک برج تو خالی بلند قرار دارد، هوا گرم می‌شود. هوای گرم به دلیل جریان همرفت به بالای برج حرکت می‌کند و در مسیر خود توربین‌ها را به حرکت در می‌آورد و انرژی الکتریکی تولید می‌کند.

فناوری دودکش خورشیدی از سه عنصر اصلی تشکیل شده است: جمع‌کننده هوا، برج یا همان دودکش و توربین‌های بادی.

هوای گرم مورد نیاز برای دودکش خورشیدی توسط پدیده گلخانه‌ای در محوطه‌ای که با پلاستیک یا شیشه پوشانده شده است و چند متری از زمین فاصله دارد، ایجاد می‌شود. با نزدیک شدن به پایه برج، ارتفاع ناحیه پوشانده شده نیز افزایش می‌یابد تا تغییر مسیر حرکت جریان هوا به صورت عمودی و با کمترین اصطکاک انجام شود.

در وسط این سقف شفاف یک دودکش یا برج عمودی وجود دارد، هوای گرم چون سبک است به سمت بالای برج حرکت می‌کند و باعث ایجاد مکش در پان برج می‌شود. تشعشع خورشید در این برج باعث ایجاد مکش به سمت بالا می‌شود که انرژی حاصل از این مکش توسط چند مرحله توربین تعبیه شده در برج به انرژی مکانیکی تبدیل می‌شود و سپس به برق تبدیل می‌شود.

توان تولید برق یک دودکش خورشیدی متناسب با حجم حاصل از ارتفاع برج و سطح کلکتور است؛ یعنی می‌توان با یک برج بلند و سطح کم یا یک برج کوتاه با سطح وسیع به یک میزان برق تولید کرد.

انرژی فضا توان

فضا توان یا توان خورشیدی فضایی، طرحی است که در آن توان خورشیدی در فضای خارج از جو زمین جمع‌آوری می‌شود و پس از جمع‌آوری توان خورشیدی آن را به زمین انتقال می‌دهند، این انرژی عمدتا به شکل انرژی الکتریکی در زمین استفاده می‌شود.

تحقیق روی این پروژه از اوایل دهه ۱۹۷۰ آغاز شد، درحال حاضر در زمینه‌های متعددی روی این طرح تحقیق می‌شود از جمله خورشید و ویژگی‌های آن، نور خورشید، انرژی خورشیدی و زمینه‌هایی که در طراحی و اجرای این طرح به دانمشندان کمک خواهد کرد.

طرح فضا توان در مقایسه با طرح‌های دیگر جمع‌آوری انرژی خورشیدی متفاوت است و مزایای قابل توجهی نسبت به آنها دارد. در این طرح پنل‌ها روی ماهواره‌های بزرگ نصب می‌شوند و در خارج از جو، در مدار زمین قرار می‌گیرند.

پس از نصب ماهواره‌ها آنها نور خورشید را جمع‌آوری و به ریز موج تبدیل می‌کنند، سپس انرژی را به ایستگاه‌های دریافت روی زمین ارسال می‌کنند که در این ایستگاه‌ها به محض دریافت، یک جریان الکتریکی در خطوط شبکه ایجاد می‌شود. انتقال انرژی از ماهواره‌ها به زمین به چند روش انجام می‌شود که یکی از آنها امواج مایکروویو است.