تجميع ذاتي للجسيمات النانوية لخلق حل ثوري لحصاد الطاقة الشمسية
تتمتع التكنولوجيا الحرارية الشمسية بإمكانيات كمصدر طاقة صديق للبيئة لمعالجة أزمة الوقود الأحفوري. ومع ذلك، فإن حصادات الطاقة الشمسية الحالية لها قيود على قابلية التوسع والمرونة. لمواجهة هذه التحديات، صمم الباحثون حصادًا شمسيًا جديدًا بقدرات محسّنة لتحويل الطاقة. يهدف التصميم الجديد إلى تبسيط التصنيع وتقليل التكاليف مع تحسين الأداء.
إنشاء تصميم حصاد للطاقة الشمسية يتسم بالكفاءة والفعالية من حيث التكلفة والمرونة يعتمد على الجسيمات النانوية ذاتية التجميع.
تعد التكنولوجيا الحرارية الشمسية طريقة واعدة لتجميع الطاقة الصديقة للبيئة مع دور محتمل تلعبه في حل أزمة طاقة الوقود الأحفوري.
تحول التكنولوجيا ضوء الشمس إلى طاقة حرارية، لكن من الصعب كبت تبديد الطاقة مع الحفاظ على امتصاص عالي. لا تتمتع حصادات الطاقة الشمسية الحالية التي تعتمد على الهندسة الدقيقة أو النانوية بقابلية التوسع والمرونة الكافية، وستتطلب استراتيجية جديدة لالتقاط ضوء الشمس عالي الأداء مع تبسيط التصنيع وتقليل التكاليف في نفس الوقت.
في APL Photonics ، من AIP Publishing ، صمم باحثون من جامعة Harbin ، وجامعة Zhejiang ، ومعهد Changchun للبصريات، وجامعة سنغافورة الوطنية، حصادًا للطاقة الشمسية مع إمكانات محسّنة لتحويل الطاقة.
يستخدم الجهاز نمطًا نانوية شبه دوري – مما يعني أن معظمه عبارة عن نمط متناوب ومتسق، بينما يحتوي الجزء المتبقي على عيوب عشوائية (على عكس الهيكل النانوي) لا تؤثر على أدائه. في الواقع، يؤدي تخفيف المتطلبات الصارمة على دورية الهيكل إلى زيادة قابلية تطوير الجهاز بشكل كبير.
تستفيد عملية التصنيع من الجسيمات النانوية ذاتية التجميع، والتي تشكل بنية مادة منظمة بناءً على تفاعلاتها مع الجسيمات القريبة دون أي تعليمات خارجية.
يمكن تحويل الطاقة الحرارية التي يحصدها الجهاز إلى كهرباء باستخدام المواد الكهروحرارية.
تُظهر هذه الصور التحويل الشمسي الحراري للجهاز (يسار) وحصاد الطاقة الحرارية الشمسية (على اليمين). الائتمان: Zifu Xu
قال المؤلف ينج لي من جامعة تشجيانغ: “يتم نقل الطاقة الشمسية كموجة كهرومغناطيسية ضمن نطاق تردد واسع”. “يجب أن يكون الحصاد الشمسي الحراري الجيد قادرًا على امتصاص الموجة والسخونة، وبالتالي تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية. تتطلب العملية امتصاصًا عاليًا (100٪ مثالية)، كما ينبغي للحاصدة الشمسية أن تكبح إشعاعها الحراري للحفاظ على الطاقة الحرارية، الأمر الذي يتطلب انبعاث حراري منخفض (الصفر يعني عدم وجود إشعاع). “
لتحقيق هذه الأهداف، عادة ما يكون الحصاد عبارة عن نظام بهيكل نانوفوتوني دوري. لكن مرونة هذه الوحدات وقابليتها للتوسع يمكن أن تكون محدودة بسبب صلابة النمط وتكاليف التصنيع العالية.
قال لي: “على عكس الاستراتيجيات السابقة، فإن تركيبتنا الفوتونية النانوية شبه الدورية يتم تجميعها ذاتيًا بواسطة جسيمات نانوية من أكسيد الحديد (Fe 3 O 4)، بدلاً من التصنيع النانوي المرهق والمكلف”.
يحقق هيكلها الفوتوني النانوي شبه الدوري قدرة امتصاص عالية (أكبر من 94٪)، وانبعاث حراري مكبوت (أقل من 0.2)، وتحت الإضاءة الشمسية الطبيعية، يتميز جهاز الامتصاص بارتفاع سريع وكبير في درجة الحرارة (أكبر من 80 درجة مئوية).
بناءً على جهاز الامتصاص، قام الفريق ببناء حصادة كهربائية حرارية شمسية مستوية مرنة، والتي وصلت إلى جهد استدامة كبير يزيد عن 20 مللي فولت لكل سنتيمتر مربع. ويتوقعون أن تشغل 20 صمامًا ثنائيًا باعثًا للضوء لكل متر مربع من الإشعاع الشمسي. يمكن أن تخدم هذه الإستراتيجية تطبيقات كثافة الطاقة المنخفضة للحصول على هندسة أكثر مرونة وقابلية للتوسع لحصاد الطاقة الشمسية.
قال لي: “نأمل أن يكون هيكلنا الفوتوني النانوي شبه الدوري مصدر إلهام لأعمال أخرى”. “يمكن استخدام هذا الهيكل متعدد الاستخدامات وأبحاثنا الأساسية لاستكشاف الحد الأعلى لحصاد الطاقة الشمسية، مثل المولدات الكهروحرارية الشمسية المرنة والقابلة للتطوير، والتي يمكن أن تكون بمثابة عنصر مساعد لحصاد الطاقة الشمسية لزيادة الكفاءة الإجمالية للبنى الكهروضوئية.”
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
