تولید برق خورشیدی با استفاده از مواد با قابلیت تحمل حرارت بالا کارآمدتر می شود

به گزارش زیست آنلاین، این روش می تواند به عنوان روشی رقابتی در برابر سوخت های فسیلی استفاده شود. محققان ایالات متحده امیدوارند با این روش بتوانند ۶۰ درصد انرژی برق مورد نیاز خود را از انرژی خورشیدی به دست آورند.
در حال حاضر کمتر از ۲ درصد برق مصرفی ایالات متحده از انرژی های خورشیدی به دست می آید.
محققان می گویند پیش از این هم ثابت شده بود که ذخیره سازی انرژی خورشیدی به صورت حرارت از ذخیره سازی انرژی خورشیدی به صورت باتری ارزان تمام می شود.
بنابراین قدم بعدی کاهش هزینه های تولید برق از حرارت خورشید است که در نتیجه انتشارات دی اکسید کربن را نیز کاهش می دهد.
انرژی خورشیدی تنها از طریق پنل های خورشیدی تبدیل به برق نمی شوند بلکه از طریق نیروگاه های متمرکز خورشیدی قابلیت تبدیل به انرژی حرارتی را دارد.
نیروگاه های خورشیدی متمرکز انرژی خورشید را با استفاده از آینه یا لنز و با متمرکز کردن آن در یک ناحیه خیلی کوچک به برق تبدیل می کنند.
در این ناحیه حرارت تولید می شود که باعث ذوب نمک می شود. پس از آن حرارت نمک ذوب شده به «مایع متحرک»، دی اکسید کربن حیاتی، منتقل شده و بعد توربین تولید کننده برق را به حرکت درمی آورد.

بیشتر بخوانید: انواع سلول خورشیدی

برای تولید برق خورشیدی ارزان تر، توربین ها باید با همان حرارت قبلی میزان برق بیشتری تولید کند به این معنی که توربین با حرارت بیشتری کار کند.
اما مشکل اینجاست که در حال حاضر، مبدل حرارت، که انتقال حرارت از نمک مایع به مایع متحرک را انجام می دهد، از فولاد ضد زنگ یا آلیاژ بر پایه نیکل ساخته شده است.
حال محققان مبدل حرارتی را از موادی تولید می کنند که می تواند حرارت و فشار بالا را تحمل کنند.
این دو ماده یکی کاربید زیکرونیوم سرامیکی و دیگری فلز تنگستن هست.
این محققان توانستند صفحاتی از مواد فلزی-سرامیکی تولید کنند. این ماده می تواند دما و حرارت بالا را تحمل کند و به این ترتیب برق تولیدی بهره وری بالایی دارد.
محققان دانشگاه پوردو با همکاری محققان انجمن تکنولوژی دانشگاه ویسکانسین و آزمایشگاه ملی اوکا ریج نتایج تحقیقات خود رادر ژورنال نیچر منتشر کردند.

کارآمد کردن انرژی خورشیدی

نیروگاه‌های خورشیدی بسیار کارآمدتر از حالت فعلی خواهند شدتأمین 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 خورشید که امکان کار ۲۴ ساعته 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 ذخیره‌شده در جاذب‌ها استفاده می‌کنند. جزئیات این یافته‌ها در مقاله‌ای به تاریخ ۳ آوریل در مجله‌ی علمی Applied Physics 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 سیلیکون را به فرمی بسازند که در آن لایه‌هایی نازک روی هم قرار بگیرند و ساختاری ویفرمانند به وجود آورند که عملکرد بسیار خوبی در دماهای بالا دارد.

پژوهشگران نشان دادند که امکان بهبود دادن ویفرهای سیلیکونی تجاری با ساختاری که انرژی خورشیدی را به‌صورت کارآمدی جذب کند 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 است تا سامانه‌هایی هیبریدی بسازند. در این سامانه‌ها، سلول‌های فتوولتائیک، نور مرئی و ماوراء بنفش را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند. همچنین دستگاه‌های ترموالکتریک، شب‌ها حرارت ذخیره‌شده را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند و توربین‌ها از انرژی تابشی روزانه الکتریسیته تولید می‌کنند.

نکته‌ی کلیدی در جذب کارآمد انرژی تابشی خورشیداین سامانه‌های ترموالکتریک و توربین‌های بخار با استفاده از حرارت نور متمرکزشده‌ی خورشید که از آینه‌های سهموی در یک جذب‌کننده یا دفع‌کننده‌ی انتخابی حاصل می‌شود، کار می‌کنند. چنین جاذبی در اکثر نیروگاه‌ها به‌صورت 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 تأمین می‌کند. برای جذب کارآمدتر گرما از خورشید نیاز است جاذب طراحی‌شده از مواد ارزان‌قیمت، به‌صورت انتخابی تنها فوتون‌هایی از یک طیف ویژه را جذب کند در حالی که بقیه‌ی طیف‌ها را بازتاب می‌دهد.

پیتر برمل استادیار دانشکده‌ی برق و کامپیوتر دانشگاه پردو، می‌گوید:

نکته‌ی کلیدی در جذب کارآمد انرژی تابشی خورشید، انجام دو روندی است که در تقابل باهم قرار دارند. یکی از این دو روند عبارت است از جذب حداکثری انرژی از خورشید و گرم شدن سیستم و روند دیگر 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 می‌شود و از خود گرما ساطع می‌کند. ما در تیم تحقیقاتی خود سعی می‌کنیم 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 جاذب‌هایی کارآمدتر بسازیم و راندمان الکتریسیته‌ی خورشیدی حرارتی را افزایش دهیم.

نحوه کار آمد سازی انرژی خورشیدی

گروه پژوهشی او در حال بهبود دهی ویفرهایی سیلیکونی هستند تا جایی که 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 به وجود بیاوریم که نور زیادی جذب کند و گرمای حداقلی از خود بیرون دهد. همچنین اضافه کردن یک لایه‌ی بالایی و یک لایه در زیر ویفرها باعث شد 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 خورشیدی حرارتی، با مواد رایج و ساختارهای ساده نیز امکان‌پذیر است. این گامی بزرگ به سمت کاربردی شدن این فناوری است و می‌تواند الهام‌بخش محققان بسیاری در این عرصه باشد. این ابزار خورشیدی سیلیکونی دارای یک لایه‌ی سیلیکونی ضد تابش ساخته‌شده از سیلیکون نیترید در بالا و یک لایه‌ی بازتاب‌کننده‌‌ی ساخته‌شده از نقره در زیر است.

سیستم‌های خورشیدی ترکیبی (تابشی حرارتی) می‌توانند به راندمان‌های بیش از ۵۰ درصد برسندهم‌زمان، انعطاف‌پذیری لایه‌های نازک نیز قابلیت‌های بالقوه‌ی مفیدی رقم می‌زند. از آنجا که این لایه‌ها قابلیت خمش پذیری 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.

به‌طور ایده‌آل، سیستم‌های خورشیدی ترکیبی (تابشی حرارتی) 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.

بیشتر بخوانید: معرفی انواع انرژی تجدیدپذیر

پژوهش‌های آینده شامل مطالعات در زمینه روش شکل‌دهی و ساخت لایه‌های نازک انعطاف‌پذیر است. هدف درازمدت، تجمیع تمامی اجزا در یک سامانه‌ی کارآمد برای تولید مداوم برق خورشیدی است. این سامانه‌ها برای کاربرد در مقیاس‌های بزرگ نیروگاهی و مقیاس‌های خانگی قابل استفاده خواهند بود.

https://zistonline.com/vdcaawn0.49no015kk4.html