يسعى تطور تكنولوجي جديد إلى حل إحدى المشاكل الرئيسية لإنتاج الطاقة الشمسية: ماذا تفعل عندما تغرب الشمس بالفعل؟
ران بن مايكل، زاوية – وكالة أنباء العلوم والبيئة
إن النقد الرئيسي الموجه للتحول الواسع النطاق لإنتاج الطاقة المتجددة من ضوء الشمس (الطاقة الشمسية) هو عدم الاستمرارية في الإنتاج الذي لا ينشط إطلاقاً خلال ساعات الظلام ويتغير أيضاً طوال ساعات النهار حسب شدة الضوء. الشمس (مثل شروق الشمس وغروبها مقارنة بالظهيرة) والغطاء السحابي. وهذا بالطبع عامل مهم يحد من الاعتماد على ضوء الشمس كمصدر رئيسي للطاقة. ومع ذلك، يعتقد البروفيسور جيريمي موندي، الباحث في جامعة ديفيس في كاليفورنيا، أنه وجد الحل.
على الرغم من أن سعر إنتاج الطاقة من المصادر المتجددة قد انخفض بشكل كبير في السنوات الأخيرة وأن تكلفتها غالبًا ما تكون أقل من تكلفة المصادر التقليدية (خاصة عندما يتعلق الأمر بحقول الطاقة الشمسية الكبيرة وتوربينات الرياح الأرضية)، إلا أن الخلايا الكهروضوئية تعاني من ثلاثة قيود في انتشارها على نطاق واسع: طلب. الأول هو مشكلة التخزين، وهي أيضًا نموذجية للطاقة المنتجة من الرياح أو الأمواج، وهي مشكلة التخزين: الإنتاج مستمر ولكن مع قمم، عندما يكون مصدر الطاقة متاحًا (الرياح، الشمس، الأمواج، إلخ)، ولكن ولا يمكن حالياً تخزين كميات كبيرة من الطاقة تكفي مدينة حديثة كبيرة أو دولة صغيرة وتوفير الطاقة عندما تنعكس نسبة الإنتاج والطلب. المشكلة الثانية هي أن كفاءة الطاقة في الألواح منخفضة وأنها تستخدم أقل من 30 بالمائة في المتوسط من الطاقة الشمسية التي تصل إليها (بالإضافة إلى ذلك، مع مرور الوقت تنخفض كفاءة الألواح المثبتة). أما المشكلة الثالثة فتتجلى أثناء الغطاء السحابي والتظليل وبالطبع خلال ساعات الظلام. في كل هذه الظروف، تعمل الخلايا باستخدام منخفض للغاية أو لا تنتج الطاقة على الإطلاق.
يمكن التغلب على المشكلتين الأوليين من خلال التطورات التكنولوجية أو تحسين التطبيقات في هذا المجال. على سبيل المثال، في أوائل شهر مارس، نشر باحثون من جامعة كولورادو ومؤسسات أخرى في مجلة ساينس، عن اختراق كبير في تحسين كفاءة الألواح من خلال اقتران خلايا السيليكون المشتركة بطبقات من خليط عناصر الهالوجين التي تحتوي على اليود والكلور والبروم، وهو رخيص وسهل التصنيع. ومن ناحية أخرى، فإن المشكلة الثالثة هي أكثر صعوبة في الحل.
اقترح البروفيسور جيريمي موندي، خبير الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة ديفيس، مؤخراً مفهوماً جديداً نُشر في المجلة العلمية "فوتونيكس" التابعة للجمعية الكيميائية الأمريكية، قد يجعل من الممكن إنتاج طاقة متجددة حتى في الليل.
تتكون الخلية الشمسية العادية من مواد تمتص الطاقة الضوئية (الفوتونات) وتحولها إلى تيار كهربائي في عملية كهروضوئية. بدلاً من ذلك، يقترح موندي عكس الآلية واستخدام الإشعاع المنبعث خلال ساعات الظلام من الجسم الساخن (الأرض) إلى الجسم البارد (سماء الليل) لتوليد الطاقة.
أما النوع الجديد من الخلايا (الخلية المشعة الحرارية، أي المعتمدة على الإشعاع الحراري) فسوف يواجه في هذه الحالة سطح الأرض ويستقبل الأشعة تحت الحمراء التي ستتحول إلى تيار كهربائي.
ضد الشمس
وفي الوقت نفسه، فإن هذه الألواح - التي تسمى "المضادة للطاقة الشمسية" - هي فقط في مرحلة بناء النموذج الأولي (النموذج الأولي). حتى الآن، تمكن الباحثون من استخلاص كمية منخفضة نسبيًا من الطاقة منها - حوالي 50 واط لكل متر مربع في الظروف المثالية، أي حوالي ربع تلك الموجودة في الخلايا الكهروضوئية العادية - وذلك لأن إمكانات الطاقة للأشعة تحت الحمراء أقل.
ومع ذلك، من المهم أن نتذكر أن انخفاض الإنتاج يمثل مشكلة صغيرة نسبيًا. إن القدرة على إضافة وإنتاج الكهرباء ليلاً - جنبًا إلى جنب مع تحسينات الكفاءة التي يمكن توقعها هنا أيضًا - ينبغي - إذا مرت التكنولوجيا بنجاح عبر عمليات جيملون وأظهرت أداءً جيدًا حتى خارج المختبر - أن تكون التغيير الكبير مقارنة بعدم القدرة لإنتاج الكهرباء في الظلام باستخدام الموجات الضوئية اليوم. بالإضافة إلى ذلك، إذا أصبحت تكنولوجيا متاحة وفعالة، فإن الخلايا المضادة للطاقة الشمسية لديها إمكانات معينة لتقليل الحاجة إلى الاستثمار في حلول تخزين الطاقة، لأنه سيكون من الممكن التحول إلى إنتاج الطاقة على مدار اليوم (حتى لو بمعدل أقل). قوة).
فريق موندي ليس وحده في مجال ابتكار الطاقة الشمسية. وهكذا، على سبيل المثال، في نوفمبر 2019، نشر فريق دولي من الباحثين فكرة مشابهة تمامًا: في هذه الحالة أيضًا، تستخدم اللوحة (الخلية الكهروحرارية) فرق درجة الحرارة (انخفاض الحرارة) بين الأرض والسماء ليلاً لتوليد الكهرباء. طاقة. وحتى في هذا التطبيق، كان نطاق الإنتاج النظري مقتصرًا على 4 وات/م2 فقط (أصغر بكثير حتى من الخلية الثانية المضادة للطاقة الشمسية) وتم توفير الطاقة فقط لمصباح LED متواضع.
إن استغلال فروق الحرارة ليلاً بطرق مختلفة لتوسيع نطاق طاقة الألواح الشمسية ليس هو الاتجاه الوحيد. منذ حوالي عامين، قام فريق صيني بتطوير نموذج أولي لخلية شمسية مغلفة بطبقة مزدوجة من البوليمر الشفاف؛ عندما تتدحرج قطرات الماء على البوليمر، فإن الاحتكاك يولد تيارًا كهربائيًا في الخلية. ويعتمد تطوير المختبر، الذي نشر في مجلة "نانو" العلمية، على منهج الخلايا الهجينة - في هذه الحالة، القدرة على تحويل طاقة الحركة عندما يكون الجو غائما وممطرا إلى جانب إنتاج الطاقة الشمسية عندما تكون الشمس مشرقة.
الهدف: العرض المستمر
وإذا خرجت هذه التطورات من المختبر وعملت بنجاح وعلى نطاق واسع في العالم الحقيقي أيضًا، بحيث تعمل الألواح الشمسية بشكل مستمر، مع تحويل عدة أشكال من الطاقة إلى كهرباء، فقد تتخذ مصادر الطاقة المتجددة الخطوة التكنولوجية الأخيرة التي تحتاجها لتحقيق ذلك. الوصول إلى هدفهم: الإمداد المستمر بالطاقة المتجددة. ما سيبقى على الأرجح هو التغلب على القيود البشرية: في الولايات المتحدة، على سبيل المثال، تتزايد المعارضة لتنفيذ مشاريع الطاقة المتجددة من جانب ملاك الأراضي الخاصة، وعلى الرغم من الطموح العام للحد من تلوث الهواء وإبطاء وتيرة ورغم أزمة المناخ، فإنها تظل فاشلة في التوسع في إنتاج الطاقة المتجددة.
ويقول الدكتور شارون سوروكر، المستشار والمحاضر في مجال الطاقة المتجددة: "إن الأفكار التي تقوم عليها هذه المقترحات مثيرة للاهتمام للغاية ويمكن أن تدفع البحث والتطوير في مجال استخدام الطاقة الشمسية إلى الأمام، إلا أن هذه الاختراعات تواجه الاختبار". الجدوى الاقتصادية: هناك قضايا تكلفة المواد وإنتاج الألواح وتحقيق الكفاءة الجيدة. ولا تعالج الأفكار الجديدة أوجه القصور الأخرى في الطاقة الشمسية التقليدية، مثل الغطاء السحابي. وتتنافس مثل هذه الأفكار بشكل خاص مع التطورات الأخرى في مجال تخزين الطاقة، والتي لها مزايا أخرى مثل استقرار شبكة الكهرباء، والاستجابة لساعات ذروة الطلب أو حالات الطوارئ. على الأكثر يبدو أن الحلول المضادة للطاقة الشمسية ستكون قادرة على تقليل الحاجة إلى التخزين لساعات الليل. إنه بالتأكيد أمر مرغوب فيه، ولكن فقط كجزء من مزيج أوسع من الحلول".
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
تعليقات 5
الاستخدام الذكي للطاقة يمكن أن يحل جزءًا من المشكلة. على سبيل المثال، في الليل يمكنك استخدام طاقة أقل. استخدم الطاقة خلال النهار للأشياء التي تستهلك الكثير من الكهرباء مثل تسخين المياه، ومواقد الطبخ، وتدفئة/تبريد المنزل. وفي الليل، سيتطلب العزل الجيد للمنزل كهرباء أقل للتحكم في درجة الحرارة، وإضاءة منخفضة واقتصادية، كما أن الكمبيوتر المحمول/الكمبيوتر اللوحي، الموجود في كل منزل على أي حال، لا يحتاج إلى الكثير من الكهرباء ويمكن شحنه أثناء النهار واستخدامه في الليل. ليلة مع البطارية
مشكلة صغيرة واحدة: السماء ليلاً تكون باردة فقط عندما لا تكون هناك غيوم. وعندما يكون الجو غائما، تكون درجة حرارة السحب قريبة من درجة حرارة الأرض. سينخفض إنتاج هذه الخلايا الليلية 5 مرات على الأقل في ليلة غائمة. ستظل هناك حاجة لتخزين الطاقة.
مقالة مثيرة للاهتمام وجميلة هنا في هيدان
المقال في نسخته المفتوحة
https://static1.squarespace.com/static/5d832a10791b8a06dddc7b1f/t/5e2b250c14a96472ddea7ade/1579885847319/Deppe_ACSPhotonics_2020.pdf
أو مقالة عن نفس الموضوع
ويكفي حفر بضع عشرات من الأمتار في أي تربة، ناهيك عن مئات أو آلاف الأمتار، للحصول على فرق كبير في درجات الحرارة حتى خلال النهار. عمق الأرض أكثر دفئا مقارنة بسطح الأرض، وهناك بالفعل منازل ودفيئات تستخدم ذلك للتدفئة أو التبريد حسب العمق والمواسم.