تامین انرژی پایدار در شبانه‌روز و ساعات ابری یکی از مشکلات منابع انرژی خورشیدی است. پژوهشگران دانشگاه پردو نوعی ویفر سیلیکونی ۲ اینچی با پوشش نازکی از تانتال و سیلیکون نیترید برای جذب بالای تابش خورشیدی ساختند. این جاذب‌های خورشیدی برای استفاده در نیروگاه‌های متمرکزکننده‌ی توان خورشیدکه امکان کار ۲۴ ساعته را دارند در نظر گرفته شده‌اند. این نیروگاه‌ها در هنگام فراهم بودن تابش خورشید از انرژی تابشی مستقیم و در شب‌ها و هوای ابری از گرمای ذخیره شده در جاذب‌ها استفاده می‌کنند. جزئیات این یافته‌ها در مقاله‌ای به تاریخ ۳ آپریل در مجله‌ی علمی اپلاید فیزیک منتشر شده است.
چیزی که این تحقیقات را پیچیده می‌ساخت تغییر خواص مواد، در گذار از دمای اتاق به دمای حدود ۵۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد بود. با استفاده از توسعه‌ی پژوهش‌های قبلی در این زمینه، محققان مدل دقیقی برای شبیه‌سازی رایانه‌ای تغییرات ویژگی‌های مواد با افزایش دما طراحی کردند. این مدل به آن‌ها کمک کرد تا سیلیکون را به فرمی بسازند که در آن لایه‌هایی نازک روی هم قرار گیرند و ساختاری ویفرمانند به وجود آورند که عملکرد بسیار خوبی در دماهای بالا دارد.
پژوهشگران نشان دادند که امکان بهبود دادن ویفرهای سیلیکونی تجاری به ساختاری که انرژی خورشیدی را به صورت کارآمدی جذب کرده و دماها و زمان‌های بهره‌وری بالا را که برای نیروگاه‌های متمرکزکننده‌ی توان لازم است تاب آورد، وجود دارد. این پژوهش، فعالان جهانی در این عرصه را بر آن داشته تا سامانه‌هایی هیبریدی بسازند. در این سامانه‌ها، سلول‌های فتوولتائیک، نور مرئی و ماورابنفش را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند. همچنین دستگاه‌های ترموالکتریک شب‌ها حرارت ذخیره شده را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند و توربین‌ها از انرژی تابشی روزانه الکتریسیته تولید می‌کنند.
این سامانه‌های ترموالکتریک و توربین‌های بخار با استفاده از حرارت نور متمرکز شده‌ی خورشید که از آینه‌های سهموی در یک جذب‌کننده یا دفع‌کننده‌ی انتخابی حاصل می‌شود، کار می‌کنند. چنین جاذبی در اکثر نیروگاه‌ها به صورت نمک مذاب است که در طول روز گرم می‌شود (جاذب حرارت) و شب‌ها با دفع این حرارت به آب و بخار کردن آن انرژی توربین‌های بخار را تامین می‌کند. برای جذب کارامدتر گرما از خورشید نیاز است تا جاذب طراحی شده از مواد ارزان قیمت، به صورت انتخابی تنها فوتون‌هایی از یک طیف ویژه را جذب کنند در حالی که بقیه‌ی طیف‌ها را بازتاب می‌دهند.
نکته‌ی کلیدی در جذب کارآمد انرژی تابشی خورشید، انجام دو روندی است که در تقابل باهم قرار دارند. یکی از این دو روند عبارتست از جذب حداکثری انرژی از خورشید و گرم شدن سیستم و روند دیگر نیز معطوف به جلوگیری از بازتابش حاصل از جسم گرم شده یا به حداقل رساندن آن است. به نقل از پیتر برملاستادیار دانشکده‌ی برق و کامپیوتر دانشگاه پردو :
نکته‌ی کلیدی در جذب کارآمد انرژی تابشی خورشید، انجام دو روندی است که در تقابل باهم قرار دارند. یکی از این دو روند عبارتست از جذب حداکثری انرژی از خورشید و گرم شدن سیستم و روند دیگر نیز معطوف به جلوگیری از بازتابش حاصل از جسم گرم شده یا به حداقل رساندن آن است.اگر به جسمی مدام گرما بدهید، پس از مدتی سرخ شده و از خود گرما ساطع می‌کند. ما در تیم تحقیقاتی خود سعی می‌کنیم تا از بازتابش نور و گرما جلوگیری کنیم و کاری کنیم که جسم هم در این حال بتواند به جذب نور خود ادامه دهد و به این ترتیب قادر خواهیم بود تا جاذب‌هایی کارآمدتر ساخته و راندمان الکتریسیته‌ی خورشیدی‌حرارتی را افزایش دهیم.
گروه پژوهشی او درحال بهبوددهی ویفرهایی سیلیکونی هستند تا جاییکه این ویفرها بتوانند دمای ۵۳۵ درجه‌ی سانتی‌گراد را بدون از دست دادن پایداری و کاراییشان، تاب بیاورند. برمل بیان کرده است:
ما در این پژوهش از مواد سیلیکونی اوراقی استفاده کردیم تا ساختاری ارزان‌قیمت را به‌وجود آوریم که نور زیادی را جذب کرده و گرمای حداقلی را از خود بیرون دهد. همچنین اضافه کردن یک لایه‌ی بالایی و یک لایه در زیر ویفرها باعث شد تا جذب نور بهتر انجام شود و در مقابل طول موج بازتابشی از آن بلند (و در نتیجه انرژی اتلافی کم‌تر) باشد.
این پژوهش نشان داد که تبدیل با کارایی بالای انرژی خورشیدی‌حرارتی، با مواد رایج و ساختارهای ساده نیز امکان‌پذیر است. این گامی بزرگ به سمت کاربردی شدن این فناوری است و می تواند الهام‌بخش محققان بسیاری در این عرصه باشد. این ابزار خورشیدی سیلیکونی دارای یک لایه‌ی سیلیکونی بالایی ضد تابش ساخته‌شده از سیلیکون نیتریدو یک لایه‌ی بازتاب‌کننده‌‌ی ساخته شده از نقره در زیر است.
همزمان، انعطاف‌پذیری لایه‌های نازک نیز قابلیت‌های بالقوه‌ی مفیدی را رقم می‌زند. از آن‌جا که این لایه‌ها قابلیت خمش‌پذیری دارند، می‌توان از آن‌ها در سازه‌های دارای انحنا مانند آینه‌های سهموی برای دریافت متمرکز نور خورشید استفاده کرد. این آینه‌ها در تمام طول روز خورشید را تعقیب می‌کنند و نور آن را تا ۵۰ بار متمرکز می‌کنند.
به طور ایده‌آل سیستم‌های خورشیدی ترکیبی (تابشی‌حرارتی) می‌توانند به راندمان‌های بیش از ۵۰ درصد برسند که در مقایسه با راندمان ۳۱ درصدی فتوولتائیک‌ها بسیار قابل توجه است. پژوهشگران تخمین زده‌اند که با متمرکز ساختن ۵۰ برابری نور خورشید توسط آینه‌های سهموی روی ویفرهای مزبور، رسیدن به راندمان ۵۱.۵ درصدی تبدیل نور به حرارت‌های بالا (تا ۴۹۰ سانتی‌گراد) قابل دستیابی است.
پژوهش‌های آینده شامل مطالعات روی روش شکل‌دهی و ساخت لایه‌های نازک انعطاف‌پذیر است. هدف دراز مدت، تجمیع تمامی اجزا در یک سامانه‌ی کارامد برای تولید مداوم برق خورشیدی است. این سامانه‌ها برای کاربرد در مقیاس‌های بزرگ نیروگاهی و مقیاس‌های خانگی قابل استفاده خواهند بود.
مشاهده پست مشابه :
افشاگری مدیرعامل تلگرام درباره امنیت واتس اپ!