جهاز جديد يمكنه رفع كفاءة الخلايا الشمسية إلى 80%!
تقنية جديدة من جامعة Rice نستطيع من خلالها استخدام أنابيب الكربون النانوية المتواضعة، لصنع خلايا شمسية أكثر كفاءة.
لجعل هذا الأمر ممكنًا، صمم علماء من الجامعة مصفوفة من أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار، تقوم بتوجيه الأشعة تحت الحمراء، وبالتالي زيادة كفاءة الخلايا الشمسية بشكل كبير.
وقد أشرف على هذه التقنية العالمان Gururaj Naik و Junichiro Kono بمدرسة براون للهندسة بالجامعة. وقد نُشِرَ عملهما بدورية ACS Photonics.
هذا الجهاز يُعد بمثابة باعث حراري زائدي المقطع، حيث يمكنه أن يمتص الحرارة الشديدة، التي يمكنها أن تتشتت وتنتشر في الغلاف الجوي، ثم ضغطها في نطاق ترددي ضيق، وإشعاعها مرة أخرى كضوء يمكن تحويله إلى كهرباء.
وقد اعتمدت صناعة هذا الجهاز على اكتشاف قام به نفس فريق العلماء، ففي عام 2016 تمكن الفريق من العثور على طريقة بسيطة لتصنيع رقاقة متجانسة وعالية الدقة باستخدام الأنابيب النانوية، وقد أدى هذا الاكتشاف إلى أن يفكر العلماء في استخدام الرقاقة لتوجيه الفوتونات الحرارية.
الفوتونات الحرارية هي مجرد فوتونات تنبعث من جسم ساخن، فإذا نظرت إلى جسم ساخن باستخدام كاميرا حرارية، سترى أن الجسم يتوهج، وهذا لأن الكاميرا تلتقط هذه الفوتونات المثارة حراريًا.
إن الأشعة تحت الحمراء هي أحد مكونات الضوء الصادر من الشمس التي تزود كوكبنا بالحرارة، ولكنها تمثل جزء صغير من الطيف الكهرومغناطيسي. مشكلة الإشعاع الحراري أن نطاقه عريض حيث أن له طول موجي كبير، في حين أن تحويل الضوء إلى كهرباء في الخلايا الشمسية لا يكون فعالًا إلا إذا كان الإشعاع في نطاق ضيق، لهذا لا نستفيد من الإشعاع الحراري في عملية إنتاج الكهرباء.
لزيادة كفاءة الخلايا الشمسية، كان لابد من الإستفادة من الإشعاع الحراري المفقود، وذلك عن طريق ضغط الفوتونات الحرارية ذات النطاق العريض إلى نطاق ضيق، وهو ما مثل تحدي كبير للعلماء.
لضغط الفوتونات الحرارية إلى نطاق ضيق، استخدم العلماء رقائق الأنابيب النانوية، والتي سمحت لهم بعزل الفوتونات الحرارية -والتي كانت تهدر في الأحوال العادية- ثم امتصاصها وتحويلها إلى فوتونات ضيقة النطاق، يمكن إشعاعها مرة أخرى كضوء، ثم استخدام الضوء في إنتاج الكهرباء.
يمكننا أن نتخيل مدى أهمية هذه التقنية، والتي تعد بمثابة طفرة في مجال إنتاج الطاقة، فإذا نظرنا إلى إنتاج الطاقة في الصناعة سنجد أن 20% من الطاقة المنتجة يهدر في صورة إشعاع حراري لا يُستفاد منه، هذه الطاقة المهدرة تكفي لإمداد ولاية تكساس بالكهرباء لمدة ثلاث سنوات!
ومن ناحية أخرى فإن كفاءة تحويل الطاقة للوسائل المتبعة حاليًا في الحصول على الطاقة لا تتعدى 50%، لكن باستخدام هذا الجهاز في الخلايا الشمسية يمكننا رفع كفاءة تحويل الطاقة بها من 22% إلى 80% وهو شئ غير مسبوق!
بلا شك، فإن هذه التقنية تعد طفرة كبيرة، وسيكون لها تطبيقات كثيرة في الأجهزة التي تعتمد على الحرارة في توليد الكهرباء.
المصدر: Phys.org
