ما هي الأدوات التي تحول ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية مخزنة تستخدم في إضاءة وتدفئة المنازل؟ من بين الأسئلة التي تظهر في مناهج المناهج العلمية السعودية، ويحرص العديد من الطلاب على الحصول على إجابة نموذجية صحيحة عن هذا السؤال، وحرصًا منا على التفوق على الطلاب، فإننا من خلال هذا المقال سنحل مسألة الأدوات التي تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية مخزنة تستخدم في إضاءة المنزل والتدفئة؟
أدوات تحول ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية مخزنة تستخدم في إضاءة وتدفئة المنازل؟
يمكن لنهج جديد لحصاد الطاقة الشمسية، طوره باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، أن يحسن الكفاءة عن طريق استخدام ضوء الشمس لتسخين مادة ذات درجة حرارة عالية يتم بعد ذلك جمع إشعاعها تحت الأحمر بواسطة خلية كهروضوئية تقليدية. يقول الباحثون إن هذه التكنولوجيا يمكن أن تسهل أيضًا تخزين الطاقة لاستخدامها لاحقًا.
في هذه الحالة، تؤدي إضافة الخطوة الإضافية إلى تحسين الأداء، حيث تتيح الاستفادة من الأطوال الموجية للضوء التي عادةً ما تكون بلا جدوى. تم وصف العملية في ورقة بحثية نُشرت هذا الأسبوع في Nature Nanotechnology، كتبها طالب الدراسات العليا Andrzej Linnert، والأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية Evelyn Wang، وأستاذ الفيزياء Marin Soljic، وعالم الأبحاث الرئيسي Ivan Silanovic، وثلاثة آخرين.
يوضح وانغ أن الخلية الشمسية التقليدية القائمة على السيليكون “لا تستفيد من جميع الفوتونات”. هذا لأن تحويل طاقة الفوتون إلى كهرباء يتطلب أن يتطابق مستوى طاقة الفوتون مع إحدى خصائص المادة الكهروضوئية (PV) التي تسمى فجوة الحزمة. تستجيب فجوة حزمة السيليكون للعديد من الأطوال الموجية للضوء، لكنها تفتقد العديد من الأطوال الموجية الأخرى.
لمعالجة هذا القيد، من الضروري العثور على أدوات تحول ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية مخزنة تستخدم في إضاءة وتدفئة المنازل، أدخل الفريق باعثًا وممتصًا من طبقتين – مصنوع من مواد جديدة بما في ذلك الأنابيب النانوية الكربونية والبلورات الضوئية – بين ضوء الشمس و خلية كهروضوئية. تجمع هذه الوسيلة الطاقة من طيف واسع من ضوء الشمس، وتسخن في هذه العملية. عند تسخينها، كما هو الحال مع قطعة من الحديد تتوهج باللون الأحمر، فإنها تصدر ضوءًا بطول موجي معين، والذي يتم في هذه الحالة ضبطه لمطابقة فجوة النطاق للخلية الكهروضوئية المثبتة في مكان قريب.
تم استكشاف هذا المفهوم الأساسي لعدة سنوات، حيث من الممكن نظريًا أن توفر أنظمة STPV طريقة للتحايل على الحد النظري لكفاءة تحويل الطاقة للأجهزة الكهروضوئية القائمة على أشباه الموصلات. هذا الحد، المسمى حد Shockley-Queisser، يفرض حدًا أقصى قدره 33.7 بالمائة على تلك الكفاءة، لكن وانج يقول أنه مع أنظمة TPV، “ستكون الكفاءة أعلى بكثير – قد تكون المثالية أكثر من 80 بالمائة.”
كانت هناك العديد من العقبات العملية لتحقيق هذه الإمكانات ؛ لم تكن التجارب السابقة قادرة على إنتاج STPV بكفاءة تزيد عن 1 بالمائة. لكن Lennert و Wang وفريقهم قد أنتجوا بالفعل جهاز اختبار أولي بكفاءة مُقاسة تبلغ 3.2٪، ويقولون إنه مع المزيد من العمل يتوقعون أنهم سيكونون قادرين على الوصول إلى 20٪ من الكفاءة – بما يكفي، كما يقولون، لمنتج قابل للتطبيق تجاريًا .
يعد تصميم المواد الماصة والباعثة للانبعاث من طبقتين عاملاً رئيسيًا في هذا التحسين. طبقته الخارجية، التي تواجه ضوء الشمس، عبارة عن مجموعة من الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران، والتي تمتص الطاقة الضوئية بكفاءة وتحولها إلى حرارة. ترتبط هذه الطبقة بإحكام بطبقة من البلورة الضوئية، والتي تم تصميمها بدقة بحيث أنه عند تسخينها بواسطة الطبقة المتصلة من الأنابيب النانوية، “تتوهج” بالضوء الذي تكون شدته القصوى غالبًا أعلى من فجوة النطاق في الكهروضوئية المجاورة، مما يضمن أن معظم الطاقة التي يجمعها هو الامتصاص ثم يتم تحويله إلى كهرباء.
الأدوات التي تحول ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية مخزنة تستخدم لإضاءة وتدفئة المنازل
- الألواح الشمسية أحادية البلورية.
- الألواح الشمسية الكريستالات.
- الخلايا الشمسية السيليكونية غير المتبلورة.
- الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة.
- الخلايا الشمسية البيولوجية.
- الخلايا الكهروضوئية المركزة.
- الخلايا الشمسية كاديوم تيلورايد.
كنا معكم في مقال حول إجابة سؤال الأدوات التي تحول ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية مخزنة تستخدم في إضاءة وتدفئة المنازل، وإذا كان لديك أي سؤال أو استفسار آخر يتعلق بمنهجك أو أي شيء ؛ لاننا موقع كل شئ يمكنك التواصل معنا عبر قسم التعليقات ويسعدنا الرد والرد عليك.