الرئيسية - المساحة الإخبارية - مادة جديدة في مجال الطاقة الشمسية تحول 90% من الضوء الملتقط إلى حرارة

مادة جديدة في مجال الطاقة الشمسية تحول 90% من الضوء الملتقط إلى حرارة

قام فريق من عدة تخصصات هندسية في جامعة كاليفورنيا-سان دييغو بتطوير مادةS جديدة ضمن مجال الجُسيمات النانوية Nanoparticles واستعمالها في ألواح الطاقة الشمسية، حيث صُممت من أجل إمتصاص وتحويل 90% من ضوء الشمس المُلتقط إلى حرارة. تستطيع هذه المادة الجديدة تحمل درجات حرارة تزيد عن 700 درجة مئوية وتستطيع أيضا البقاء عدة سنوات في الهواء الطلق على الرغم من التّعرض للهواء والرطوبة.

تم دعم هذا العمل من قبل برنامج SunShot التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، وتم نشر النّتائج في مقالين منفصلين في مجلة الطاقة النانوية.

بالنسبة لمواد إمتصاص الطاقة الشمسية الحالية فإنها تعمل في درجات حرارة مُنخفضة، وتحتاج للإصلاح و الفحص كل عام تقريباً عند العمل في درجات حرارة عالية. يقول سانغو جن:” لقد أردنا صنع مواد تمتص أشعة الشمس كاملة ولاتسمح لأي جزء منها بالنفاذ. أردنا شيئاً يُشبه الثّقب الأسود للأشعة الشمس.” جن يعمل بروفيسور في قسم هندسة الميكانيك والفضاء في كلية جاكوبس للهندسة في جامعة كاليفورنيا-سان دييغو.

قام كل من البروفيسور جن مع البروفيسور زهاوي ليو من قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسوب ورينكان تشن البروفيسور في الهندسة الميكانيكية بتطوير مادة من السيليكون مُغطى بطبقةٍ نانوية من البرويد. جميع أعضاء الفريق خبراء في هندسة المواد الفنية.

تتميز المادة الجديدة بأنها تمتلك سطحاً مُتعدد النطاقات، حيث تم صنعه باستخدام جُسيمات متعددة الأحجام تتراوح ما بين النانومتر إلى المايكرومتر. هذه الهياكل مُتعددة النطاقات لها القدرة على الإمساك بالضوء وإمتصاصه مما يساهم في زيادة كفاءة المادة عند العمل في درجات حرارة عالية.

تركيز الطاقة الشمسية CSP: Concentrating Solar Power هو سوقٌ جديد للطاقة النّظيفة البديلة، والتي تُنتج حوالي 3.5 جيجا واط من الكهرباء من محطات للطاقة حول العالم وهي تكفي لتزويد 2 مليون منزل، وهناك عمليات بناء قائمة تسعى لبناء المزيد من المحطات من أجل توليد 20 جيجا واط من الطاقة في السنين القادمة. أحد عوامل الجذب لهذه الطاقة الجديدة أنه يمكن إستخدامها لتحديث محطات الطاقة الحالية التي تستخدم الفحم أو الوقود البترولي، فهي تعتمد على نفس العملية لتوليد الكهرباء من البُخار.

تقوم محطات توليد الطاقة التقليدية بحرق الفحم أو الوقود لإنتاج الحرارة التي تُحوّل الماء إلى بخار. يُحرّك هذا البخار توربينات عملاقة التي تولد الطاقة باستخدام مغانط دوارة وملفات (وشائع) ناقلة للكهرباء.

تُنتج محطات تركيز الطاقة الشمسية البخار اللازم لتشغيل التوربينات عن طريق استخدام أشعة الشمس لتسخين الملح المصهور. يُمكن تخزين الملح المصهور في صهاريج التخزين الحراري ليلاً حيث يمكنه الإستمرار بتوليد البخار والكهرباء، وحتى على مدار 24 ساعة إذا كان هذا مطلوب، وهذه الميزة تُعتبر تفوقاً على النّظم الكهروضوئية التي تتوقف عن إنتاج الطاقة عند غروب الشمس.

أحد أكثر أنواع أنظمة تركيز الطاقة الشمسية شيوعاً يَستخدم أكثر من 100000 من المرايا العاكسة المُوجهة نحو أشعة الشمس وتركيزه عند برج تم رشه بطلاء أسود يتكون من مادة تمتص الضوء. تم تصميم المادة لزيادة إمتصاص ضوء الشمس إلى أقصى ما يمكن وتقليل ضياع الضوء الذي ينبعث من السطح بشكل طبيعي على شكل أشعة تحت حمراء.

إستخدم فريق جامعة كاليفورنيا خبرتهم المجتمعة لتطوير وتحسين وتشخيص مادة جديدة لهذا النوع من الأنظمة على مدى الثلاث سنوات السابقة. وشمل الباحثون مجموعة من طلاب جامعة كالفورنيا في سان دييغو المُتخصصين في علوم وهندسة المواد منهم جاستن تايكيونغ كيم وبرايان فان-سادرس وجايان مون الذي انضم مؤخراً إلى هئية التدريس في جامعة نيفادا في لاس فيغاس. تم رش القشرة النانوية المُصنعة في مختبر تشن على ركيزةٍ معدنية لإجراء إختبار حراري وميكانيكي. قُدرة المادة على إمتصاص ضوء الشمس تم قياسها في مختبر البصريات الخاص بليو، وذلك بإستخدام مجموعة فريدة من الأدوات التي تأخذ القياسات للضوء المرئي وحتى الأشعة تحت الحمراء.

يتم إغلاق محطات الطاقة الشمسية الحالية مرة بالسنة، وذلك لإزالة المادة التي تمتص ضوء والتي إنخفضت فعاليتها وثم إضافة غلاف جديد، مما يعني إنقطاع توليد الطاقة حتى يتم إستبداء الطلاء وجفافه. ولهذا السبب قام برنامج SunShot التابع لوزارة الطاقة بتحدي ودعم فريق البحث لإستحداث مادة جديد تدوم مدة أطول بكثير، بالإضافة إلى قدرتها على العمل ضمن درجات حرارة أعلى من أجل تحسين كفاءة تحويل الطاقة. وبالتالي يهدف الفريق إلى إطالة عمر الخلايا الشمسية، وهم يعتقدون أنهم قريبون من تحقيق هذا الهدف.

على نهج برنامج الهبوط على سطح القمر الذي دعمه كينيدي والذي ألهم العديد حول العالم من أجل الإهتمام بالعلوم واستكشاف الفضاء، قام وزير الطاقة ستيفن تشو بإطلاق مُبادرة SunShot في عام 2010 بهدف خفض تكاليف الطاقة الشمسية بحيث تصبح قادرة على المنافسة مع غيرها من وسائل إنتاج الكهرباء بحلول عام 2020.

ترجمة: Asma M. Massad

المصدر: موقع Phys.org

عن ماريو رحال

ماريو رحال
مهندس طبي ومدون تقني. مدير موقع عالم الإلكترون.

اضف رد

لن يتم نشر البريد الإلكتروني . الحقول المطلوبة مشار لها بـ *

*

x

‎قد يُعجبك أيضاً

“4” طرق جديدة لتبريد الشرائح والرقاقات الحاسوبية

يبدو أن الأمور قد أصبحت أكثر “سخونة” في مجال المعالجات والرقاقات الحاسوبية. في حين يركز ...