تغطية شاملة

هوائي مبتكر لاستقبال الطاقة من الشمس

تمكن مهندسون كيميائيون من جامعة MIT من إيجاد طريقة لتركيز طاقة الإشعاع الشمسي باستخدام أنابيب الكربون النانوية بمعدل أعلى 100 مرة من الخلايا الكهروضوئية التقليدية. وستكون هذه الأنابيب النانوية قادرة على إنشاء هوائيات يمكنها التقاط الطاقة الضوئية وتركيزها، كما ستمكن من تطوير مصفوفات شمسية أصغر حجمًا وأكثر كفاءة.

يمتص هذا الخيط، الذي يحتوي على حوالي 30 مليون أنبوب نانوي كربوني، طاقة الفوتون من الشمس ثم يطلقها على شكل فوتونات أقل طاقة.
يمتص هذا الخيط، الذي يحتوي على حوالي 30 مليون أنبوب نانوي كربوني، طاقة الفوتون من الشمس ثم يطلقها على شكل فوتونات أقل طاقة.

وقال مايكل سترانو، أستاذ الهندسة الكيميائية: "بدلاً من أن يحتوي سطح منزلك بالكامل على خلايا كهروضوئية (ألواح شمسية)، يمكنك نشر نقاط صغيرة هي في حد ذاتها خلايا كهروضوئية، مع هوائيات تؤدي إلى محتوى الفوتونات من إشعاع الشمس". الذي قاد البحث. ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية Nature Materials.

ويمكن أيضًا استخدام الهوائيات المبتكرة للباحثين في تطبيقات أخرى تتطلب تركيز الضوء، مثل التلسكوبات أو أجهزة الرؤية الليلية.

تولد الألواح الشمسية الكهرباء عن طريق تحويل الفوتونات (وحدات الطاقة الضوئية) إلى تيار كهربائي. يعمل هوائي الأنابيب النانوية المبتكر على زيادة عدد الفوتونات التي يمكن امتصاصها وكمية الضوء التي يتم تحويلها إلى طاقة يمكن توجيهها إلى خلية شمسية بشكل كبير.

ويتكون الهوائي من حبل ليفي يبلغ طوله عشرة ميكرومترات وسمكه أربعة ميكرومترات، ويحتوي على حوالي ثلاثين مليون أنبوب نانوي كربوني. قام فريق البحث، ولأول مرة على الإطلاق، بإنشاء ألياف تتكون من طبقتين من الأنابيب النانوية ذات خصائص إلكترونية مختلفة - على وجه الخصوص، فجوات نطاقية (طاقات) مختلفة.

في أي مادة، يمكن أن تكون الإلكترونات في مستويات طاقة مختلفة. عندما يضرب الفوتون (الطاقة الضوئية) السطح، فإنه يتسبب في إثارة الإلكترون و"قفزه" إلى مستوى طاقة أعلى، وهو مستوى فريد لكل مادة. التفاعل بين الإلكترون الذي امتص فائض الطاقة و"الثقب" الذي تركه وراءه في هذه "القفزة" يسمى "إكسيتون" (المدخل في ويكيبيديا)، ويعرف فرق الطاقة بين الثقب والإلكترون بـ فجوة الحزمة.

تحتوي الطبقة الداخلية للهوائي على أنابيب نانوية ذات فجوة نطاق صغيرة، والأنابيب النانوية الموجودة في الطبقة الخارجية لها فجوة نطاق أعلى. هذه الحقيقة مهمة لأن الإكسيتونات تميل إلى التدفق من حالة الطاقة العالية إلى حالة الطاقة المنخفضة. في هذه الحالة، هذا يعني أن الإكسيتونات الموجودة في الطبقة الخارجية تتدفق إلى الطبقة الداخلية، حيث يمكن أن توجد في حالة طاقة أقل (ولكنها لا تزال في حالة مثارة).

ونتيجة لذلك، عندما تضرب الطاقة الضوئية المادة، تتدفق جميع الإكسيتونات إلى مركز الألياف، حيث يتم تركيزها وتركيزها. ولم يقم الباحثون بعد ببناء جهاز كهروضوئي باستخدام الهوائي المبتكر، لكنهم يخططون للقيام بذلك. في مثل هذا الجهاز، سيقوم الهوائي بتركيز الفوتونات قبل أن تحولها الخلية الكهروضوئية إلى تيار كهربائي. سيكون هذا ممكنًا بسبب بناء الهوائي حول قلب من مادة شبه موصلة.

ستؤدي الواجهة بين شبه الموصل والأنابيب النانوية إلى فصل الإلكترون عن ثقبه، حيث يتم جمع الإلكترونات في أحد القطبين المتصلين بشبه الموصل الداخلي ويتم جمع الثقوب في القطب الآخر المتصل بالأنابيب النانوية. في مثل هذا الترتيب، سيكون الجهاز قادرا على توليد تيار كهربائي. ووفقا للباحثين، فإن كفاءة مثل هذه الخلية الشمسية ستعتمد على نوع المواد المستخدمة لبناء الأقطاب الكهربائية.

يعد هذا الفريق البحثي أول من نجح في تحضير ألياف الأنابيب النانوية التي يمكنها التحكم في خصائص الطبقات المختلفة الموجودة فيها، وهو إنجاز أصبح ممكناً بفضل التقدم المعاصر في طرق فصل الأنابيب النانوية ذات الخصائص المختلفة.

وبينما كان سعر الأنابيب النانوية هو العائق الرئيسي في الماضي، فقد انخفضت تكلفتها في السنوات الأخيرة مع استخدام الشركات الكيميائية لقدراتها الإنتاجية. يقول الباحث الرئيسي: "في مرحلة ما في المستقبل غير البعيد، سوف تكلف أنابيب الكربون النانوية نفس تكلفة المواد البوليمرية المباعة اليوم". "بمثل هذه التكلفة، فإن إضافتها إلى الخلية الشمسية ستصبح ضئيلة اقتصاديًا مقارنة بتكلفة الإنتاج نفسها والمواد الخام للخلية نفسها، تمامًا كما يشكل الطلاء اليوم بالبوليمرات ومكونات البوليمر جزءًا صغيرًا جدًا من تكلفة الخلايا الشمسية. الخلية الكهروضوئية."

ويعمل فريق البحث الآن على إيجاد طرق لتقليل فقدان الطاقة في تدفق الإكسيتونات عبر الألياف، وعلى طرق لإنشاء أكثر من إكسيتون واحد لكل فوتون.

الخبر من الجامعة

تعليقات 12

  1. مايكل،
    بالفعل نعم، أنا أتحدث عن استخلاص الطاقة الحرارية من الجو وتحويلها إلى طاقة ميكانيكية أو كهربائية متاحة.
    يتم تطبيق الموضوع جزئيًا في المضخات الحرارية كما سبق أن شرحت، وما أقترحه هو فعليًا الاستفادة من الموضوع وتحويل الطاقة إلى طاقة ميكانيكية أو كهربائية.
    وموضوع أعمال المضخات الحرارية معروف وله شواهد في الميدان.

  2. يوسي:
    لقد فهمت أنك تقترح استخراج الطاقة الحرارية من جو لا يوجد به اختلافات في درجات الحرارة في البداية.
    وهذا ما تقول نظرية كارنو أنه غير ممكن.
    لكنني لا أنوي الجدال - ففي نهاية المطاف، لم تقم بتفصيل الأشياء على المستوى الذي يسمح لك بالرجوع إلى التفاصيل.

  3. مايكل،
    إذا كان الأمر كذلك، فأنت لم تفهم الفكرة، نتيجة لهذه العملية، يتم إنشاء اختلافات في درجات الحرارة تسمح بامتصاص الطاقة من البيئة المباشرة.
    يتم الحفاظ على جميع قوانين الديناميكا الحرارية.
    أقرب نظام لذلك هو المضخة الحرارية حيث تنتج طاقة تسخين أكثر من الطاقة الكهربائية المستهلكة في هذه العملية.
    وهنا التفرد في مسألة التدحرج للأمام وبدلا من إنتاج الحرارة أقوم بإنتاج طاقة ميكانيكية أو كهربائية

  4. مايكل شالوم,
    وهذا لا يعد انتهاكًا لقوانين الديناميكا الحرارية والحسابات المبنية على قوانين الديناميكا الحرارية تظهر جدواها
    لمعلوماتك.

  5. يوسي:
    لا حرج في فكرتك سوى خرق قوانين الديناميكا الحرارية.
    رأيت أنك تعلن عن الفكرة منذ فترة طويلة ولا أستغرب أنك لا تزال تبحث عن مستثمر.

  6. ليست هناك حاجة لتطوير مرافق أو مراكم لتخزين الطاقة. الغلاف الجوي للأرض في حد ذاته عبارة عن خزان كبير من الطاقة التي نحتاجها ويمكن الاستفادة منها. نظام لإنتاج الطاقة من الحرارة المخزنة في الغلاف الجوي للأرض، ومن الممكن أن يحدث المشروع ثورة في سوق الطاقة العالمية. هذا مشروع لإنتاج طاقة خضراء حقيقية من الحرارة المخزنة في الغلاف الجوي للأرض، والغلاف الجوي للأرض هو في الواقع أكبر مجمع للطاقة موجود. ليست هناك حاجة لتطويره ولكن فقط للاستفادة منه لصالحنا، فهو متاح طوال ساعات اليوم ولا يعتمد بشكل مباشر على الطقس لأنه حتى في درجات الحرارة المنخفضة للغاية وفي المناطق شديدة البرودة يظل الهواء مشحونًا نسبيًا بالطاقة الحرارية كأي جسم أو مادة أخرى. هو نظام كهروميكانيكي يعرف كيفية تحويل الحرارة المخزنة في الغلاف الجوي للأرض إلى طاقة كهربائية أو ميكانيكية ولا يعتمد على أنواع مختلفة من الوقود. يمكن أن يكون النظام صغيرًا وشخصيًا، بالنسبة للمنزل أو المبنى أو المصنع، وكمحطة طاقة، يتمتع هذا النظام أيضًا بمكافآت إضافية. - النظام لا يتسبب في تدفئة بيئته المباشرة بل العكس. حيث أنه يمتص الطاقة الحرارية من البيئة، مما يؤدي إلى تبريدها أو إبطاء معدل ارتفاع درجة الحرارة الطبيعية. - كمنتج ثانوي للنظام يمكن استخدامه كمصدر تبريد لأنظمة التكييف أو التبريد التي سيتم دمجها معه في المنازل أو المباني وتوفير الكثير من طاقة التكييف بالإضافة إلى إنتاج الطاقة الكهربائية أو الميكانيكية . لا يشغل النظام مساحة كبيرة مثل الأنظمة الأخرى ويمكن دمجه وتقليله داخل المباني أو كجزء من هيكل مبني أو قائم. ولا داعي للطاقة المستثمرة في تنمية مصادر الطاقة الأخرى ونقلها كالطاقة المعدنية أو الوقود الحيوي، وهو ما يتطلب أيضاً حقولاً للزراعة وهذا على حساب الغابات وزراعة الغذاء. وينتج النظام الطاقة طوال ساعات اليوم بغض النظر عن الضوء أو الظلام أو الرياح أو الطقس ويمكن أن يتواجد في أي مكان تقريبًا على الكوكب. يمكن لمزيد من التطوير للنظام دمجه في مختلف وسائل النقل البرية والبحرية وحتى الجوية.

    في ظاهر الأمر، وكما يبدو، يتمتع هذا النوع من النظام بجميع المزايا التي نبحث عنها من الطاقة الخضراء. يمكن رؤية المزيد من التفاصيل على الموقع: http://www.webix.name/greenenergy

    قليلا عن الأساس الفلسفي والعلمي للمشروع:

    اليوم، تعتمد معظم أنظمة إنتاج الطاقة على الافتراض الأساسي الصحيح وهو أنه من أجل إنتاج الطاقة نحتاج إلى فرق جهد في الضغط/الارتفاع والحرارة، عندما يكون هناك اتفاق على أنه لتحقيق ذلك نحتاج إلى مصدر حراري درجة حرارته أعلى من البيئة أو إنشاء مثل هذا المصدر عن طريق حرق الوقود أو الانشطار النووي. وبكل الطرق الخضراء الحقيقية والمعروفة نقوم باستغلال فروق الضغط على سطح الأرض لتوليد الطاقة في توربينات الرياح أو الاستفادة من الشلالات طالما لدينا تدفق المياه، وطاقة التدفئة الشمسية في بعض المنشآت وفي جزء آخر من الأرض. المرافق التي نستخدمها الظواهر الفيزيائية الأخرى. إن الطرق الخضراء لإنتاج الطاقة ليست جديدة أو رائدة وأساسها العلمي معروف منذ زمن طويل، ولكنها إما محدودة في قدرتها على إنتاج الطاقة أو أنها غير متوفرة على مدار اليوم أو فصول السنة. علاوة على ذلك، فإن عملية إنتاجها مكلفة نسبيًا ولا تفي بالمعايير اليابانية نفسها، وفي واقع الأمر، فهي بحاجة إلى دعم حكومي لجعلها قابلة للحياة اقتصاديًا للمستثمر.

    وبعد توضيح الخيارات الموجودة ودون الاستهانة بالابتكارات والتطورات، لا تزال هذه الخيارات حلولاً محدودة ومكلفة للغاية، وعلينا أن نستمر في تطويرها ومحاولة الحصول على أقصى استفادة منها، ولكن لا ينبغي أن نركز عليها فقط. . هناك نظام معين يأتي في الواقع من عالم تكييف الهواء وينتج طاقة أكثر بثلاث مرات من الطاقة المستثمرة فيه ويسمى بالمضخة الحرارية أو المضخة الحرارية أو مكيف الهواء في دورة التدفئة ينتج طاقة حرارية أكثر من يتم استثمارها عادة كطاقة كهربائية لتشغيلها، لكن هذا هو المكان الذي يتوقف فيه الأمر والتكنولوجيا الموجودة لا تنتج طاقة من هذه الحقيقة كهربائية أو ميكانيكية. هذا هو المكان المناسب لطرح السؤال عما إذا كان من الممكن إنتاج الطاقة فقط بين الإمكانات العالية والمنخفضة أو ما إذا كان من الممكن أيضًا إنتاج الطاقة من الإمكانات المنخفضة إلى الإمكانات العالية أو بشكل أكثر دقة ما إذا كان من الممكن إنشاء فرق محتمل ليس فقط كما نتيجة للتدفئة ولكن أيضا نتيجة للتبريد. الجواب هو نعم نستطيع. التعامل مع السؤال نتج عنه فكرة غير عادية وغير عادية، حيث نقوم بطرق كهروميكانيكية باستخراج الحرارة من البيئة وتحويلها إلى طاقة ميكانيكية أو كهربائية وهذا دون استثمار الطاقة من مصدر خارجي، يصبح النظام قادراً على توليد طاقة كافية لطاقته. التشغيل وتوفير طاقة فائضة إضافية للاستهلاك العام.

  7. في كم من الوقت يمكن للباحثين تطبيق البحث في التنفيذ الصناعي؟ أو عندما أتمكن من تركيب الهوائي على سطح منزلي

  8. إنه مكتوب بطريقة لا تسهل على القارئ فهمه. ولكن يبدو مثيرا للاهتمام. إن البنية الكبيرة وشخصيتها هي التي تحكم السلوكيات الكمومية. وهذه فكرة جميلة تستحق التطبيق.

ترك الرد

لن يتم نشر البريد الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها *

يستخدم هذا الموقع Akismat لمنع الرسائل غير المرغوب فيها. انقر هنا لمعرفة كيفية معالجة بيانات الرد الخاصة بك.