أدوات تحول أشعة الشمس إلى طاقة كهربائية مخزنة تستخدم في إضاءة المنازل، وتدفئتها

ما هي أدوات تحول أشعة الشمس إلى طاقة كهربائية مخزنة تستخدم في إضاءة المنازل، وتدفئتها ؟ من الأسئلة التي ترد في مقررات المنهاج العلمي السعودي, ويحرص العديد من الطلاب على الحصول على إجابة نموذجية صحيحة لهذا السؤال, وحرصا منا على تفوق الطلاب, فإننا من خلال هذا المقال سنحل سؤال أدوات تحول أشعة الشمس إلى طاقة كهربائية مخزنة تستخدم في إضاءة المنازل، وتدفئتها ؟

أدوات تحول أشعة الشمس إلى طاقة كهربائية مخزنة تستخدم في إضاءة المنازل، وتدفئتها ؟

يمكن لنهج جديد لحصاد الطاقة الشمسية ، طوره باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، تحسين الكفاءة عن طريق استخدام ضوء الشمس لتسخين مادة ذات درجة حرارة عالية يتم بعد ذلك جمع إشعاعاتها تحت الحمراء بواسطة خلية كهروضوئية تقليدية. يقول الباحثون إن هذه التقنية يمكن أن تسهل أيضًا تخزين الطاقة لاستخدامها لاحقًا.

في هذه الحالة ، تؤدي إضافة الخطوة الإضافية إلى تحسين الأداء ، لأنها تجعل من الممكن الاستفادة من الأطوال الموجية للضوء التي عادةً ما تذهب سدى. تم وصف هذه العملية في ورقة بحثية نُشرت هذا الأسبوع في مجلة Nature Nanotechnology ، كتبها طالب الدراسات العليا أندريه لينيرت ، والأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية إيفلين وانغ ، وأستاذ الفيزياء مارين سولجيتش ، وعالم الأبحاث الرئيسي إيفان سيلانوفيتش ، وثلاثة آخرين.

يوضح وانغ أن الخلية الشمسية التقليدية القائمة على السيليكون “لا تستفيد من جميع الفوتونات”. ذلك لأن تحويل طاقة الفوتون إلى كهرباء يتطلب أن يتطابق مستوى طاقة الفوتون مع إحدى خصائص المواد الكهروضوئية (PV) التي تسمى فجوة الحزمة. تستجيب فجوة الحزمة للسيليكون للعديد من الأطوال الموجية للضوء ، لكنها تفتقد العديد من الأطوال الموجية الأخرى.

لمعالجة هذا القيد لا بد من ايجاد أدوات تحول أشعة الشمس إلى طاقة كهربائية مخزنة تستخدم في إضاءة المنازل، وتدفئتها، قام الفريق بإدخال جهاز باعث وامتصاص من طبقتين – مصنوع من مواد جديدة بما في ذلك الأنابيب النانوية الكربونية والبلورات الضوئية – بين ضوء الشمس والخلية الكهروضوئية. تجمع هذه المادة الوسيطة الطاقة من طيف واسع من ضوء الشمس ، وتسخن في هذه العملية. عندما يسخن ، كما هو الحال مع قطعة من الحديد التي تتوهج باللون الأحمر ، فإنها تصدر ضوءًا بطول موجي معين ، والذي يتم ضبطه في هذه الحالة لمطابقة فجوة النطاق للخلية الكهروضوئية المثبتة في مكان قريب.

تم استكشاف هذا المفهوم الأساسي لعدة سنوات ، حيث يمكن من الناحية النظرية أن توفر أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية (STPV) وسيلة للتحايل على الحد النظري لكفاءة تحويل الطاقة للأجهزة الكهروضوئية القائمة على أشباه الموصلات. هذا الحد ، المسمى حد Shockley-Queisser ، يفرض حدًا أقصى قدره 33.7 في المائة على هذه الكفاءة ، لكن وانغ يقول إنه مع أنظمة TPV ، “ستكون الكفاءة أعلى بكثير – يمكن أن تكون مثالية أكثر من 80 في المائة.”

كانت هناك العديد من العقبات العملية لتحقيق هذه الإمكانات ؛ لم تتمكن التجارب السابقة من إنتاج جهاز STPV بكفاءة تزيد عن 1 بالمائة. لكن لينرت ووانغ وفريقهم قد أنتجوا بالفعل جهاز اختبار أولي بكفاءة مُقاسة تبلغ 3.2 في المائة ، ويقولون إنه مع مزيد من العمل يتوقعون أن يكونوا قادرين على الوصول إلى 20 في المائة من الكفاءة – بما يكفي ، كما يقولون ، لمنتج قابل للتطبيق تجاريًا .

يعد تصميم المادة المكونة من طبقتين ماص-باعث عاملاً أساسياً في هذا التحسين. طبقته الخارجية ، التي تواجه ضوء الشمس ، عبارة عن مجموعة من الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران ، والتي تمتص طاقة الضوء بكفاءة عالية وتحولها إلى حرارة. ترتبط هذه الطبقة بإحكام بطبقة من البلورة الضوئية ، والتي تم تصميمها بدقة بحيث عندما يتم تسخينها بواسطة الطبقة المتصلة من الأنابيب النانوية ، فإنها “تتوهج” بالضوء الذي تكون شدة ذروته أعلى في الغالب من فجوة النطاق للـ PV المجاور ، مما يضمن أن معظم الطاقة التي يجمعها جهاز الامتصاص تتحول بعد ذلك إلى كهرباء.

أدوات تحول أشعة الشمس إلى طاقة كهربائية مخزنة تستخدم في إضاءة المنازل، وتدفئتها

• الألواح الشمسية أُحادية البلورة.
• الألواح الشمسية الكريستالية.
• الخلايا الشمسية غير المتبلورة للسيليكون.
• الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة.
• الخلايا الشمسية البيولوجية.
• الخلايا الكهروضوئية المركزة.
• خلايا الكاديوم تيلورايد الشمسية.

كنا وإياكم في مقال حول إجابة سؤال أدوات تحول أشعة الشمس إلى طاقة كهربائية مخزنة تستخدم في إضاءة المنازل، وتدفئتها, وإذا كان لديكم أي سؤال أخر أو استفسار يتعلق بمنهاجكم أو بأي شيء؛ لأننا موقع كل شيء فيمكنكم التواصل معنا عبر قسم التعليقات، وسنكون سعداء بالرد والإجابة عليكم.