التعبئة في مجال تكنولوجيات الطاقة المتجددة: تحسين القدرة على العمل والكفاءة

الدور الحاسم للهندسة السطحية في نظم الطاقة المتجددة

وقد كثفت الحركة العالمية نحو الطاقة المتجددة من الطلب على المكونات التي يمكن أن تنجو من ظروف التشغيل القصوى مع الحفاظ على الأداء الذروة، والصفائف الشمسية، والاضطرابات الريحية، والكهرباء الهيدروجينية، والبطاريات ذات الشكل الكبير، تعتمد جميعها على أسطح المعادن التي يجب أن تقاوم التآكل، وتخفف إلى أدنى حد من الخسائر الكهربائية، وتتحمل ضغطا ميكانيكيا، وتحسنت معدات الطاقة المتجددة، وتطبيق قاعدة مطوية معدنية على أساس الكبريتيد على طريقة متسارعة.

Plating for Corrosion Protection in Harsh Environments

وكثيرا ما تعمل الهياكل الأساسية للطاقة المتجددة في بيئات تعجل بتدهور المعادن، فالاضطرابات التي تدور في الهواء الطلق، على سبيل المثال، تواجه تعرضا مستمرا لرش المياه المالحة، والرطوبة، والتقلبات في درجات الحرارة، وتعمل أجهزة جمع الحرارة الشمسية تحت درجات الحرارة العالية والإشعاع فوق البنفسج، بل إن النظم ذات الطراز الضوئي المتجهة الأرضية، تتعرض للرطوبة، والغبار، والملوثات الكيميائية، وبدون حماية كافية، يمكن أن تؤدي التآكل إلى تقويض السلامة الهيكلية.

النسيج والكروميوم للمكونات الهيكلية

ويستخدم تركيب النيكل على نطاق واسع في مكونات الفولاذ في أبراج التربينات الريحية، وصناديق التروس، والهياكل المتصاعدة، ويوفر التصفيق النيكل حاجزاً ثقيلاً ومقاوماً للتشفير والحرق، ويزيد من حدة الظروف المضطربة، ويزيد صبغ الكروم من الإجهاد الشديد، ويقلل من الارتطام في أجزاء متحركة مثل آليات القذف.

التكليف الذهبي والبلاتينية للاتصالات الكهربائية

وفي صناديق ربط الألواح الشمسية، والمتحولون، ونظم إدارة البطاريات، يجب أن تظل الاتصالات الكهربائية خالية من أفلام أكسيد الأوكسيد التي تزيد من المقاومة، فالبلاء الذهبي هو الحل المفضل لأن الذهب لا يهتز ويحافظ على مقاومة منخفضة للاتصال على مدى عقود، وعلى الرغم من أن السميكة باهظة الثمن (من 0.5 إلى 2.5 ميكروغرام) لموازنة التكلفة والأداء.

تعزيز السلوك الكهربائي مع الطاعون

وكل اتصال، وحامض، وجامع حالي في نظام للطاقة المتجددة، يُدخل مقاومة كهربائية، ويُقلل إلى أدنى حد من هذه المقاومة، من الأهمية الأساسية لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة؛ ولا سيما في التطبيقات العالية التكتل مثل مجموعات البطاريات والكهرباء، ويقلل التعبئة بالمعادن ذات السلوك العالي من الخسائر في الأورام وتوليد الحرارة، ويحسن كفاءة النظام عموما.

النحاس والسيلفر لبزبار ومكونات

كما أن النحاس هو الوسيط المعياري في النظم الكهربائية، ولكن سطحه يشكل بسرعة طبقة من أكسيد القاوم، وتحافظ اللوحة الفضية على النحاس على مقاومة السوائب المنخفضة في النحاس، بينما توفر سطحا عالي السلوك ومقاوما للتآكل، وفي وحدات الفول السوداني، تستخدم أجهزة النحاس الفضية المزروعة لجمع التيار من الخلايا الشمسية، وتخفض الخلايا الفضية مقاومة الاتصال بين نصف ريبة(1).

Tin and Lead-Free Alloys for Solderless Connections

وفي كثير من أجهزة الطاقة المتجددة، يجب الانضمام إلى المكونات دون باع درجة عالية من الحرارة يمكن أن تلحق أضرارا بالمواد الحساسة، وتستخدم الطلاءات على محطات النحاس لتيسير الحام البارد أو التشويه، مما يوفر مقاومة منخفضة ومستقرة للاتصال، مع الأخذ بالدفع نحو التصنيع الخالي من الرصاص، وتعتمد المحاور التي تستخدم في محطات البطاريات والحافلات الداخلية، التي تستوفي معايير الأداء والمقاييس البيئية.

تكنولوجيات التعبئة المتقدمة لتطبيقات الطاقة المتجددة

إن اختيار تقنية البلاطة هو نفس أهمية المادة ذاتها، إذ أن أساليب الترسيب الحديثة تسمح بمراقبة دقيقة للسمك والارتقاء والهيكل الصغير، مما يتيح التسترات التي تكون أرق وأكثر فعالية من التكتل الكهربائي التقليدي.

Electroplating: The Workhorse of Surface Finishing

ولا يزال الفرز الكهربائي هو أكثر الطرق استخداماً في تطبيق المعاطف الفلزية، وهو ينطوي على تمرير تيارات كهربائية من خلال حل الكهروليت يحتوي على أيون معدنية مبتلة، تُودع في الفرن (المكون الذي يوضع فيه باللوحة) وتُعدُّل الكهرباء فعالاً ومُقَدَّراً، مما يجعله ملائماً لإنتاج حافلات الصمامات الصمامات الشمسية، وأجهزة التك الريح، وأجهزة الترابية.

تصنيف المبيدات الكيميائية للتكليف العالي الدقة

وعندما يلزم توفير أقصى قدر من النقاء أو التغطية الموحدة في الجيولوجيا المعقدة، فإن الديوكسينات المميتة توفر مزايا متميزة، وفي هذه العملية، يتم التخلص من السلائف المتطايرة على سطح شبه ثابت في غرفة فراغ، مما يشكل فيلماً رقيقاً، وتستخدم هذه المادة لإيداع معادن مجموعات البلاستيك (مثلاً، أيريديوم، أو روتينيوم) على سطح الكهروم في خلايا الوقود، ويخفض فيها التغليف.

التكتلات المُعدّلة وأجهزة البلاستيك اللاّكترونية

وتُستخدم في صنع البطاريات الميكانيكية، وأجهزة التعبئة غير الكهربائية، والودائع المعدنية بدون تيار خارجي، وتنتج المعاطف الموحدة حتى على المواد غير المُنتجة مثل البلاستيك والسامية، وفي صناعة البطاريات الليثيوم، تستخدم الصبغة الكهروائية في استخدام أجهزة الجمع الحالية على مواد المُفصلة، مما يتيح تصميمات خلايا العجلات، وأجهزة التفريغ.

ممارسات التعبئة المستدامة من أجل مستقبل خضراء

وتستخدم عمليات التعبئة التقليدية المواد الكيميائية السامة، وتوليد النفايات الخطرة، وتستهلك كميات كبيرة من المياه والطاقة، ومع سعي صناعات الطاقة المتجددة إلى تحقيق الاستدامة، هناك دفعة قوية لاعتماد تكنولوجيات لطلاء أكثر خضراء تقلل من البصمة البيئية دون التضحية بالأداء.

استبدال الكروم الهكساني

وقد كان الكروم السداسي (Cr6+) طحالباً في الصبغة الديموغرافية والفنية بسبب مقاومته للضغط والتآكل، غير أنه مسبب للسرطان ويواجه أنظمة صارمة في جميع أنحاء العالم، وقد برزت الآن ثلاثية الصمامات (Cr3+) كبديل أكثر أماناً، مما يوفر حماية قابلة للمقارنة من التآكل وينتهي من الارتداد اللامع.

ماء - مبيد للحشرات

وكثيرا ما تحتوي الحمّامات الكهربائية التقليدية على السيانيدات أو الفلوروكربونات أو المواد الإضافة السمية الأخرى، ويقوم الباحثون بتطوير الكهرباء المحتوية على الماء مع عوامل مُعقدة مُثلة، مثل الاستشهاد أو الغلوركون، للنحاس والزنك، وتوفر عناصر مُصففة مُثلجة للطاقة، وأملاح متجددة مُتَبَّعة في قاعات وزن مُثلِيِّدة، ومُثِّدةٍ مُثَةٍ غير مُفعَّلة.

نظم مغلقة لتقليل النفايات إلى الحد الأدنى

وتستخدم مرافق التعبئة الرائدة الآن إعادة تدوير المياه المغلقة، وتبادل الأيوني، وعكس الأوسمة لاسترداد المعادن والتقليل إلى أدنى حد من السائل المتدفق، إذ يمكن أن تحقق بعض النظم المتقدمة تصريفاً شبه صفري، ويمكن إعادة استخدام المعادن المستعادة، مثل الفضة والذهب، في حمامات جديدة للطلاء، مما يقلل من الطلب على التعدين، ويخفض البصمة الكربونية لسلسلة الإمداد، وعلى سبيل المثال، تقدر رابطة صناعات الطاقة الشمسية 30 في المائة أن إعادة تدوير الفضية من الطلاء.

وضع نظم محددة للطاقة المتجددة

وتتجلى فوائد اللصق أكثر وضوحاً عند بحثها في إطار تكنولوجيات معينة، ولكل نظام متطلبات سطحية فريدة تتطلب حلولاً مصممة خصيصاً للطلاء.

Solar Photovoltaic Modules

وفي خلايا السيليكون الشمسية، يتم فرز معجون الفضة على الجانب الأمامي لتشكيل أصابع التكتل الحالية، غير أن العجينة تحتوي على قشرة زجاجية يمكن أن تتحلل بمرور الوقت تحت التعرض للأشعة فوق البنفسجية والرطوبة، ويستخدم نهج بديل اتصالات نحاسية مكتظة بطبقة رقيقة من النيكل أو الفضية، وتظهر أصابع النحاس المبلة درجة أعلى من النسيج.

صناديق وحملات توربين

وتخضع صناديق الترسبات الريحية للحمولات الدورية القصوى وكثيرا ما تعمل في بيئات باردة ومشوهة، كما أن ارتداء الملابس والمضغوطة يمكن أن يؤدي إلى فشل مبكر.

البطارية والكهرباء الحاليون

ويتوقف أداء البطاريات الليثيومية اعتماداً حاسماً على القاطرات الحالية التي تحتاجها أجهزة التحصيل؛ وقدرة على إجراء الإلكترونيات دون أي تلف؛ وتتكون الجهات التقليدية التي تجمعها من رغوة نحاسية للخصوم والألومنيوم للطوابق؛ غير أن خصوم النحاس التي تُنشأ في الكهرباء، مما يؤدي إلى تلفيد القدرة.

خلايا الهيدروجين والوقود

تعتمد أجهزة الإصدار الإلكترونية في مجال تبادل البروتون على مواد محفزة من مجموعات البلاتين لتقسيم المياه إلى الهيدروجين والأكسجين، وتطبق الطبعة الحفازة عادة كحبر من مسحوق المعادن، ولكن الطلاء يقدم بديلاً أكثر توحيداً وملتزماً، وتخفض الطلاءات من مادة الفلوريوم على طبقات النقل غير المشبع بالتينيوم (PTLs) التحفيز بينما تحافظ على إنتاج ثنائي أكسيد الكربون.

الاتجاهات المستقبلية في مجال توليد الطاقة المتجددة

ومع تقدم تكنولوجيات الطاقة المتجددة، ستستمر أساليب التعبئة في التطور، وتعود عدة اتجاهات ناشئة إلى زيادة تحسين الاستدامة والكفاءة مع الحد من الأثر البيئي.

التعلم من الآلات من أجل العملية

ويؤثر كيميائيات الحمامات البلاستيكية والكثافة الحالية ودرجات الحرارة والهطل على نوعية التغليف، ويمكن لخامات التعلم الآلات تحليل البيانات التاريخية والمجسات في الوقت الحقيقي للتنبؤ بارامترات مثلى، والحد من العيوب والنفايات المادية، ويقوم الباحثون بتطوير التوأم الرقمي من خطوط التكتل الكهربائي لتحفيز توزيع سميكات التغليف وتكييف المتغيرات في صناعة الطوابع.

التكليفات الخاصة بالصحة الذاتية

وتحتوي المعاطف ذاتية التلقيح على ميكروبات من موانع التآكل التي تطلق عندما تُشكّل شقاً، مثلاً، يمكن أن تُشفى في طبقة الزنك، خدوش قياسية في التكوينات البوليوريثانية الخفيفة، مع الحفاظ على الحماية المجرية، وتختبر هذه المعاطف على نتائج الترسبات الريحية الخارجية وتُخفض فيها بنسبة 50 في المائة.

إعادة التدوير والتكامل في الاقتصاد الدائري

وتندر المواد البلاستيكية مثل الفضة والذهب والنيكل والكروم وتكثيف الطاقة في المناجم، وسييسر تصميم مكونات الطاقة المتجددة من أجل إزالة الغطاء النباتي بسهولة من الطبقات الملوحة، ويمكن أن تزيل الحلول المتعلقة بالتعرية الكيميائية بصورة انتقائية البلاستيك دون الإضرار بالمعدن الأساسي، مما يتيح إعادة استخدام المعاطف والخضوعية، ويمول برنامج " هوريزون ٢٠٢٠ " عدة مشاريع تركز على هذه المواد اللوحة.

الاستنتاج: وضع كجهة أساسية لتوليد الطاقة المتجددة

فبسبب تكنولوجيات التعبئة، فإنها أكثر بكثير من سرعة إنتاج الطاقة السطحية، وهي عامل حاسم في التمكين من أداء وموثوقية وطول نظم الطاقة المتجددة، ومن حيث تكنولوجيات التغليف ذات القدرة على مقاومة التآكل، ومن حيث القدرة على توليد الطاقة المتجددة، ومن حيث القدرة على إحداث الاحترار، ومن خلال استخدام الطاقة الكهربائية، ومن خلال استخدام أجهزة التزود بالنيكل، ومن خلال استخدام أجهزة التوليد ذات التركيز على الكهرباء، والبطاقات الكهربائية، والهياكل الأساسية.

For further reading on sustainable plating practices, see the National Renewable Energy Laboratory] and the ]Solar Energy Industries Association. Technical details on coating performance can be found in the IEA Renewable Energy Market Report and in provide peers journal