إذن ماذا تفعل هناك في الجامعة؟ الفصل الثاني: كيفية توليد الكهرباء من ضوء الشمس

التقيت جدعون سيغيف لأسأله عما يفعلونه هناك في الجامعة.

جدعون متزوج من أوريت وكان لمدة شهر تقريبًا (وقت المحادثة) أبًا جديدًا لابنته الكبرى كرمل. كلاهما يحب السفر ولعب كرة السلة، على الرغم من أنه من الصعب عليهما مؤخرًا العثور على وقت فراغ. حصل على درجة البكالوريوس في جامعة بن غوريون في النقب ويعمل حاليًا على إعداد أطروحة الدكتوراه في كلية الهندسة في جامعة تل أبيب، تحت إشراف البروفيسور آفي كريبوس من قسم الهندسة الميكانيكية والبروفيسور يوسي روزينوكس من قسم الهندسة الميكانيكية. قسم الهندسة الكهربائية. اهتمامه الرئيسي هو مسألة كيفية استخدام الطاقة الشمسية لإنتاج الكهرباء بكفاءة.

(جيديون)، ماذا تفعل هناك؟

حسنًا، عليك أولاً أن تفهم أن هدف كل باحث في مجالنا هو إيجاد طرق لجعل توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية أرخص من توليد الكهرباء من الفحم. وينبغي أن يكون مفهوما أيضا أنه ليس من الممكن اليوم تحويل إنتاج الكهرباء بشكل كامل إلى استخدام الطاقة المتجددة بسبب وجود مشكلة التخزين. إن قدرات تخزين الطاقة اليوم (في إشارة إلى البطاريات وما شابه ذلك) لا تزال غير جيدة بما فيه الكفاية. ومع ذلك، من الممكن اليوم بناء مزرعة للطاقة الشمسية يمكنها توفير 20-30% من استهلاك الكهرباء الوطني في أوقات معينة عندما نحتاج إليها، على سبيل المثال في يوم صيفي حار عندما تكون جميع مكيفات الهواء قيد التشغيل.

كما أردت أن أوضح أن الطاقة الشمسية لا يمكن استخدامها كبديل للوقود في السيارات، ولن تحل مشكلة أسعار الوقود. على الأقل طالما أن السيارات ليست كلها كهربائية. الهدف هو محاولة استبدال بعض محطات الطاقة التي تعمل بالفحم.

حسنًا، أخبرني كيف تحول الطاقة الشمسية إلى كهرباء

هناك طريقتان رئيسيتان لتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء، الأولى تتعلق بالحرارة والثانية تتعلق بالضوء.

ربما يتذكر البعض منا أننا عندما كنا أطفالًا كنا نستخدم عدسة مكبرة لحرق الأشياء. وبالمثل، الطريقة الأولى هي تركيز ضوء الشمس في نقطة ساخنة واحدة (بمساعدة العدسات أو المرايا) حيث نقوم بتسخين السائل بحيث يتم إنشاء البخار. سيقوم البخار بتشغيل توربين مشابه لمحطة توليد الطاقة العادية وبالتالي توليد الكهرباء. تسمى محطة الطاقة هذه بمحطة الطاقة الشمسية الحرارية.

وتوجد بالفعل محطات تجريبية في إسرائيل، على سبيل المثال BrightSource بالقرب من ديمونة وأورا بالقرب من كيبوتس سمر في عربة.

الطريقة الثانية تسمى التحويل الكهروضوئي. هذه أجهزة خاصة يتم من خلالها تحويل الضوء المستقبل مباشرة إلى كهرباء دون أي تحويل إضافي على طول الطريق. يتم تصنيع هذه الأجهزة من خلال ربط مادتين مختلفتين، وينشأ بينهما مجال كهربائي نتيجة الاتصال. في أغلب الأحيان (ولكن ليس دائمًا) تكون قطعتان من السيليكون تختلفان في نوع المواد الإضافية المدرجة في المحتوى. عندما يضرب الضوء السيليكون فإنه يتسبب في إطلاق الإلكترونات. ستتحرك هذه الإلكترونات المتحررة تبعًا للمجال الكهربائي الداخلي في اتجاه ثابت وبالتالي يمكننا الحصول على تيار. هناك مكونات كهربائية تعمل على تحويل التيار المباشر إلى تيار متردد وتكييفه مع الشبكة الكهربائية المنزلية.

ما هي المواضيع التي تهم الباحثين في هذا المجال؟

يمكن تقسيم أبحاث الخلايا الشمسية إلى مدرستين فكريتين رئيسيتين. يحاول الباحثون في المدرسة الأولى إنتاج أفضل خلية ممكنة، حتى يتمكنوا من توليد المزيد من الكهرباء من نفس الخلية. الباحثون في المدرسة الثانية لا يهتمون بالخلايا الأكثر كفاءة ولكن بتطوير الخلايا الأرخص. تملي كل مدرسة فكرية البحث عن المواد وعمليات الإنتاج المناسبة لها.

عادةً ما يكون سعر الخلايا عالية الجودة (المدرسة الأولى) مرتفعًا بشكل مماثل، لذلك نرغب في استخدامها إلى أقصى حد. ولهذا الغرض ينصح باستخدام تركيز الإشعاع بواسطة العدسات أو المرايا. أي أننا سنتأكد من وصول كمية كبيرة جدًا من ضوء الشمس إلى كل خلية. المكسب المباشر هو أننا سنحتاج إلى عدد أقل من الخلايا. ولهذا السبب، يشارك العديد من الباحثين في تحسين أنظمة تركيز الإشعاع للخلايا الشمسية. ويجب تبريد الخلايا حتى لا تفقد كفاءتها العالية.

انتظر، انتظر، ما هي الفائدة؟

تجيب الكفاءة على السؤال التالي: أي جزء من الضوء الذي يدخل الخلية يتحول إلى كهرباء. التقدير المقبول في إسرائيل هو أنه في يوم مشمس تحصل على كيلووات من الإشعاع الضوئي لكل متر مربع. على سبيل المثال، خلية قياسها متر في متر وكفاءتها 20 بالمائة ستنتج حوالي 200 واط. عادةً ما تبلغ كفاءة خلية السيليكون القياسية التي يتم بيعها للمستهلك حوالي 15٪. أفضل خلية سيليكون تم بناؤها حتى الآن وصلت كفاءتها إلى 24%. الرقم القياسي اليوم هو خلية خاصة (وليست خلية سيليكون عادية) تم فيها قياس كفاءة بنسبة 43%، في ظل ظروف معملية معينة*، لكن هذه الخلايا باهظة الثمن وتستخدم حاليًا بشكل أساسي للأقمار الصناعية.

ماذا تعمل في هذه الأيام؟

في الجامعة، عادة ما نبحث عن الشيء التالي في هذا المجال. أحد المشاريع التي نعمل عليها يتناول إيجاد طرق جديدة وأكثر كفاءة من تلك التي تحدثت عنها لتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء. هذا المشروع لا يتعلق في الواقع بالخلية الكهروضوئية. وهو جهاز يتكون من لوحين، أحدهما معدني والآخر شبه موصل، ويوجد بينهما فراغ. يتم تسخين إحدى اللوحين ويتم الاحتفاظ بالأخرى عند درجة حرارة منخفضة قدر الإمكان. يتسبب إشعاع الضوء الذي يضرب الصفيحة الساخنة في إطلاق إلكترون في عملية تسمى الانبعاث الحراري. ويوجد بين الصفيحتين مجال كهربائي يتأكد من وصول الإلكترون المنبعث إلى الصفيحة الأخرى وبالتالي يتولد تيار. وتبين أيضًا أنه كلما قمت بتسخين هذا الجهاز وتشعيعه بكثافة أعلى، كلما كان عمله أكثر كفاءة. منذ حوالي عامين، تم نشر مقال في مجلة Nature Materials أظهر أن الإشعاع الذي يضرب اللوحة يزيد بشكل كبير من معدل انبعاث الإلكترون.

ومن الحسابات التي أجريناها توصلنا إلى أنه يمكن تركيز الإشعاع على هذا الجهاز بحيث يصل إلى درجة الحرارة المطلوبة ويستقبل ما يكفي من الضوء. وفي هذه الحالة أظهرنا أنه من الممكن نظرياً الوصول إلى كفاءة أعلى من 40 بالمائة! بالإضافة إلى ذلك، بما أن الخلية في درجة حرارة عالية جدًا (عدة مئات من الدرجات المئوية على اللوحة الباردة)، فيمكننا استخدامها بطريقة مشابهة للنظام الحراري الشمسي.

يبدو الأمر مثاليًا، هل تم حل مشاكل الطاقة في العالم؟

ليس بعد. أولاً، يجب أن يستمر تطوير النظرية، لأنها لم يتم توحيدها بعد بالقدر الذي نرغب فيه. والشيء الثاني المهم للغاية هو أن نلاحظ أن مثل هذا النظام لم يتم بناؤه أبدًا. ستكون إحدى الخطوات التالية للمشروع هي بناء نظام يمكننا من خلاله إظهار إمكانية تنفيذ الأفكار النظرية في الواقع. إن بناء مثل هذا النظام ينطوي على تحديات كثيرة ومتنوعة. وبمجرد التغلب عليها قد نتمكن من تقديم طريقة جديدة وأكثر كفاءة للعالم "لحصاد" طاقة الشمس.

* التحديث من 11.06.12

--------------------------

يسعدني أن ألتقي وأتحدث مع أي طالب بحث (ربما أنت؟) يرغب في المشاركة ويخبرني قليلاً عما يفعله (وكل ذلك مقابل محادثة ليست طويلة جدًا). يمكنك التواصل معي عبر نموذج الاتصال بنا.

حان الوقت لتخبر الجميع بما تفعله، ربما سيفهمون هذه المرة أيضًا 🙂