وصف مفصل وبسيط لتشغيل الألواح الشمسية والتنبؤات المستقبلية
كيف تشرب الشاي في التبتقد تتركك مراجعةنا
الأخيرة للألواح الشمسية مع الانطباع بأن جمع الطاقة الشمسية شيء جديد ، لكن الناس يستغلونه منذ آلاف السنين. بمساعدتها ، يقومون بتسخين المنازل وطهيها وتسخين المياه. تعود بعض أقدم الوثائق التي تصف مجموعة الطاقة الشمسية إلى اليونان القديمة. قال سقراط نفسه ، "في المنازل التي تواجه الجنوب ، تخترق شمس الشتاء الرواق ، وفي الصيف يمر مسار الشمس فوق رؤوسنا وفوق السقف مباشرة ، مما يتسبب في تشكيل الظل". يصف كيف استخدمت العمارة اليونانية اعتماد المسارات الشمسية على الفصول.
في القرن الخامس قبل الميلاد واجه اليونانيون أزمة طاقة. انتهى الوقود الغالب ، الفحم ، حيث قاموا بقطع جميع غابات الطهي وتدفئة المنازل. تم إدخال حصص للخشب والفحم ، ويجب حماية بساتين الزيتون من المواطنين. اقترب الإغريق من الأزمة ، وخططوا بعناية للتنمية الحضرية ، للتأكد من أن كل منزل يمكنه الاستفادة من أشعة الشمس التي وصفها سقراط. نجح الجمع بين التكنولوجيا والمنظمين المستنيرين ، وتم تجنب الأزمة.
مع مرور الوقت ، نمت تكنولوجيا جمع الطاقة الحرارية للشمس فقط. استعار مستعمرو
نيو إنغلاند تكنولوجيا بناء المنازل من الإغريق القدماء للتدفئة في الشتاء البارد. تم بيع سخانات المياه الشمسية البسيطة السلبية ، التي ليست أكثر تعقيدًا من البراميل المطلية باللون الأسود ، في الولايات المتحدة الأمريكية في نهاية القرن التاسع عشر. منذ ذلك الحين ، تم تطوير مجمعات شمسية أكثر تعقيدًا تضخ المياه من خلال الألواح التي تمتص الضوء أو تركزه. يتم تخزين الماء الساخن في خزان معزول. في المناخات المتجمدة ، يتم استخدام نظام ثنائي السوائل حيث تقوم الشمس بتسخين خليط من الماء مع التجمد الذي يمر عبر دوامة في خزان تخزين المياه ، والذي يلعب دورًا آخر ، وهو دور المبادل الحراري.
مجمعات الطاقة الشمسية على أسطح قبرصاليوم ، تتوفر العديد من الأنظمة التجارية المتطورة لتسخين الماء والهواء في المنزل. يتم تركيب مجمعات الطاقة الشمسية في جميع أنحاء العالم ، ومعظمها للفرد في النمسا وقبرص وإسرائيل.
جامع الشمسية سقف في واشنطن العاصمةيبدأ التاريخ الحديث للألواح الشمسية في عام 1954 ، باكتشاف طريقة عملية لاستخراج الكهرباء من الضوء: اكتشفت مختبرات بيل أن المواد الكهروضوئية يمكن تصنيعها من السيليكون. أصبح هذا الاكتشاف أساس الألواح الشمسية الحالية (الأجهزة التي تحول الضوء إلى كهرباء) وأطلق حقبة جديدة من الطاقة الشمسية. من خلال البحث المكثف ، يستمر العصر الحالي للطاقة الشمسية ، وتعتزم الشمس أن تصبح المصدر الرئيسي للطاقة في المستقبل.
ما هي الخلية الشمسية؟
النوع الأكثر شيوعًا من الخلايا الشمسية هو جهاز أشباه الموصلات السليكونية ، وهو قريب بعيد من الصمام الثنائي ذو الحالة الصلبة. تتكون الألواح الشمسية من مجموعة من الخلايا الشمسية المتصلة ببعضها البعض وتخلق تيارًا ناتجًا بالجهد والقوة المطلوبة. العناصر محاطة بغلاف واقي ومغطى بزجاج النافذة.
تولد الخلايا الشمسية الكهرباء بسبب التأثير الكهروضوئي ، الذي لم يتم اكتشافه على الإطلاق في مختبرات بيل. تم اكتشافه لأول مرة في عام 1839 من قبل الفيزيائي الفرنسي ألكسندر إدموند بيكيريل ، نجل الفيزيائي أنطوان سيزار بيكيريل وأب الفيزيائي أنطوان هنري بيكيريل ، الذي حصل على جائزة نوبل واكتشف النشاط الإشعاعي. بعد أكثر من مائة عام بقليل ، تم تحقيق طفرة في تصنيع الخلايا الشمسية في مختبر بيلا ، الذي أصبح الأساس لإنشاء أكثر أنواع الخلايا الشمسية شيوعًا.
في لغة فيزياء الحالة الصلبة ، يتم إنشاء خلية شمسية على أساس تقاطع pn في بلورة السيليكون. يتم إنشاء الانتقال عن طريق إضافة كميات صغيرة من العيوب المختلفة إلى مناطق مختلفة من البلورة ؛ سيكون التفاعل بين هذه المناطق هو الانتقال. على الجانب n ، تحمل الإلكترونات التيار ، وعلى الجانب p - ثقوب حيث تكون الإلكترونات غائبة. في المناطق المجاورة للواجهة ، يؤدي نشر الشحنات إلى إنشاء إمكانات داخلية. عندما يدخل الفوتون بطاقة كافية إلى البلورة ، يمكن أن يطرد إلكترونًا من ذرة ويخلق زوجًا جديدًا من ثقب الإلكترون.
ينجذب الإلكترون الذي تم إصداره حديثًا إلى ثقوب على الجانب الآخر من الانتقال ، ولكن بسبب إمكاناته الداخلية ، لا يمكنه عبوره. ولكن إذا تم منح الإلكترونات مسارًا من خلال دائرة خارجية ، فسوف تسير على طوله وتضيء منازلنا على طول المسار. للوصول إلى الجانب الآخر ، يتجمعون مع الثقوب. تستمر هذه العملية بينما تشرق الشمس.
تسمى الطاقة المطلوبة لتحرير إلكترون مقيد فجوة النطاق. هذا هو المفتاح لفهم السبب في أن الخلايا الكهروضوئية لها قيود ملازمة للكفاءة. فجوة النطاق خاصية ثابتة للبلورة وشوائبها. يتم تنظيم الشوائب بطريقة تجعل فجوة النطاق للخلية الشمسية قريبة من طاقة الفوتون من الطيف المرئي. مثل هذا الاختيار تمليه الاعتبارات العملية ، حيث أن الضوء المرئي لا يمتصه الغلاف الجوي (وبعبارة أخرى ، نتيجة للتطور ، اكتسب الناس القدرة على رؤية الضوء بأطوال الموجات الأكثر شيوعًا).
يتم حساب طاقة الفوتون. لا يمكن للفوتون الذي لديه طاقة أقل من فجوة النطاق (على سبيل المثال ، من الجزء تحت الأحمر من الطيف) إنشاء حامل شحن. يسخن اللوحة فقط. لن يعمل اثنان من الفوتونات بالأشعة تحت الحمراء أيضًا ، حتى لو كانت طاقتهما الإجمالية كافية. الفوتون ذو الطاقة العالية بشكل مفرط (على سبيل المثال ، من نطاق الأشعة فوق البنفسجية) سوف يطرد إلكترونًا ، لكن الطاقة الزائدة ستضيع.
نظرًا لأن الكفاءة تُعرَّف بأنها مقدار طاقة الضوء الساقط على اللوحة مقسومًا على كمية الكهرباء المستلمة - وبما أن جزءًا كبيرًا من هذه الطاقة سيتم فقده - فإن الكفاءة لا يمكن أن تصل إلى 100٪.
فجوة النطاق للخلية الشمسية السليكونية هي 1.1 فولت. كما يمكن رؤيته من الرسم البياني للطيف الكهرومغناطيسي ، فإن الطيف المرئي في المنطقة أعلى قليلاً ، لذا فإن أي ضوء مرئي سيعطينا الكهرباء. ولكن هذا يعني أيضًا أن جزءًا من طاقة كل فوتون ممتص يتم فقده وتحويله إلى حرارة.
ونتيجة لذلك ، اتضح أنه حتى مع الألواح الشمسية المثالية المصنعة في ظروف لا تشوبها شائبة ، فإن أقصى قدر من الكفاءة النظرية سيكون حوالي 33٪. بالنسبة للألواح المتاحة تجاريًا ، تكون الكفاءة عادة 20 ٪.
البيروفسكايت
معظم الألواح الشمسية المركبة تجارياً مصنوعة من خلايا السيليكون الموصوفة أعلاه. لكن المختبرات حول العالم تبحث عن مواد وتقنيات أخرى.
واحدة من أكثر المجالات الواعدة في الآونة الأخيرة هي دراسة مواد تسمى البيروفسكايت. تم تسمية معدن
البيروفسكايت CaTiO
3 في عام 1839 تكريماً لرجل الدولة الروسي الكونت
ل.بيروفسكي (1792-1856) ، الذي كان جامعًا للمعادن. يمكن العثور على المعدن في أي من قارات الأرض وفي غيوم كوكب خارجي واحد على الأقل. تسمى البيروفسكايت أيضًا بالمواد الاصطناعية التي لها نفس التركيب البلوري المعيني مثل البيروفسكايت الطبيعي ولها بنية كيميائية مماثلة في الهيكل.
اعتمادًا على العناصر ، تُظهر البيروفسكايت خصائص مفيدة مختلفة ، مثل الموصلية الفائقة والمقاومة المغناطيسية العملاقة وخصائص الخلايا الكهروضوئية. تسبب استخدامها في الخلايا الشمسية في الكثير من التفاؤل ، حيث زادت فعاليتها في الأبحاث المختبرية على مدى السنوات السبع الماضية من 3.8 ٪ إلى 20.1 ٪. يلهم التقدم السريع الثقة في المستقبل ، خاصة وأن قيود الكفاءة أصبحت أكثر وضوحًا.
في التجارب الحديثة في لوس ألاموس ، تبين أن الخلايا الشمسية من بعض البيروفسكايت قريبة من كفاءة السيليكون ، في حين أنها أرخص وأسهل في التصنيع. سر جاذبية البيروفسكايت هو القدرة على النمو بسرعة وسهولة بلورات بحجم مليمتر بدون عيوب على طبقة رقيقة. هذا حجم كبير جدًا لشبكة بلورية مثالية ، والتي بدورها تسمح للإلكترون بالمرور عبر البلورة دون تدخل. تعوض هذه الجودة جزئياً فجوة النطاق غير الكاملة التي تبلغ 1.4 eV ، مقارنةً بالقيمة المثالية تقريبًا للسيليكون 1.1 eV.
ترتبط معظم الدراسات التي تهدف إلى زيادة كفاءة البيروفسكايت بالبحث عن طرق لإزالة العيوب في البلورات. الهدف النهائي هو صنع طبقة كاملة لعنصر من شبكة بلورية مثالية. حقق الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (TIT) مؤخرًا تقدمًا كبيرًا بشأن هذه القضية. اكتشفوا كيفية "معالجة" العيوب في فيلم مصنوع من البيروفسكايت المحدد عن طريق تشعيعه بالضوء. هذه الطريقة أفضل بكثير من الطرق السابقة ، بما في ذلك الحمامات الكيميائية أو التيار الكهربائي ، بسبب عدم الاتصال بالفيلم.
ليس من الواضح حتى الآن ما إذا كان البيروفسكايت سيؤدي إلى ثورة في تكلفة أو فعالية الألواح الشمسية. إن صنعها أمر سهل ، لكنهم حتى الآن ينفصلون بسرعة كبيرة.
يحاول العديد من الباحثين حل مشكلة الاضمحلال. أدت دراسة مشتركة للصينيين والسويسريين إلى طريقة جديدة لتشكيل خلية من البيروفسكايت ، مما يلغي الحاجة إلى حركة الثقب. نظرًا لأن طبقة توصيل الثقب هي التي تتحلل ، يجب أن تكون المادة أكثر استقرارًا.
الخلايا الشمسية البيروفسكايت المستندة إلى القصديريصف تقرير حديث من مختبر بيركلي كيف يمكن أن يصل البيروفسكايت يومًا ما إلى حد الكفاءة النظرية بنسبة 31 ٪ ، ولا يزال تصنيعه أرخص من السيليكون. قام الباحثون بقياس كفاءة التحويل للأسطح الحبيبية المختلفة باستخدام المجهر الذري ، الذي يقيس الموصلية الضوئية. ووجدوا أن الوجوه المختلفة لها كفاءات مختلفة للغاية. يعتقد الباحثون الآن أنه يمكنهم إيجاد طريقة لإنتاج فيلم يتم فيه فقط توصيل أكثر الوجوه فعالية بالأقطاب الكهربائية. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تحقيق الخلية لكفاءة تبلغ 31٪. إذا نجحت ، فسيكون ذلك بمثابة اختراقة ثورية في مجال التكنولوجيا.
مجالات البحث الأخرى
من الممكن تصنيع ألواح متعددة الطبقات ، حيث يمكن تعديل فجوة النطاق عن طريق تغيير الإضافات. يمكن ضبط كل طبقة على طول موجة معينة. يمكن لهذه الخلايا أن تحقق كفاءة 40 ٪ نظريًا ، لكنها لا تزال مكلفة حتى الآن. ونتيجة لذلك ، من الأسهل العثور عليها على القمر الصناعي لوكالة ناسا منه على سطح المنزل.
في دراسة قام بها علماء من أكسفورد ومعهد السليكون الكهروضوئي في برلين ، تم دمج طبقات متعددة مع البيروفسكايت. من خلال العمل على مشكلة تحلل المواد ، فتح الفريق إمكانية إنشاء البيروفسكايت مع وجود فجوة نطاق قابلة للتعديل. تمكنوا من صنع نسخة من الخلية بعرض نطاق يبلغ 1.74 eV ، وهو مثالي تقريبًا للتصنيع المقترن بطبقة من السيليكون. هذا يمكن أن يؤدي إلى إنشاء خلايا رخيصة الثمن بكفاءة 30٪.
قامت مجموعة من جامعة نوتردام بتطوير طلاء كهروضوئي مصنوع من الجسيمات النانوية شبه الموصلة. هذه المواد ليست فعالة حتى الآن لاستبدال الألواح الشمسية ، ولكن من الأسهل إنتاجها. من بين المزايا هو إمكانية التطبيق على الأسطح المختلفة. في الإمكانات ، سيكون من الأسهل استخدامه من الألواح الصلبة التي تحتاج إلى تركيبها على السطح.
منذ بضع سنوات ، أحرز فريق من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تقدماً في إنتاج الوقود الحراري الشمسي. يمكن لمثل هذه المادة تخزين الطاقة الشمسية داخلها لفترة طويلة ، ثم إعطائها عند الطلب عند استخدام محفز أو تسخين. يحقق الوقود ذلك من خلال التحويل غير المتفاعل لجزيئاته. استجابة للإشعاع الشمسي ، يتم تحويل الجزيئات إلى أيزومرات ضوئية: الصيغة الكيميائية هي نفسها ، ولكن الشكل يتغير. يتم تخزين الطاقة الشمسية كطاقة إضافية في الروابط بين الجزيئية للأيزومر ، والتي يمكن تمثيلها كحالة طاقة أعلى للجزيء الأصلي. بعد بدء التفاعل ، تعود الجزيئات إلى حالتها الأصلية ، وتحول الطاقة المخزنة إلى حرارة. يمكن استخدام الحرارة مباشرة أو تحويلها إلى كهرباء. من المحتمل أن تلغي هذه الفكرة الحاجة إلى البطاريات. يمكن نقل الوقود واستخدام الطاقة المتلقاة في مكان آخر.
بعد نشر العمل من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، الذي استخدم
fulvalen diruthenium ، تحاول بعض المختبرات حل المشاكل المتعلقة بإنتاج وتكلفة المواد ، وتطوير نظام يكون فيه الوقود مستقرًا بما فيه الكفاية في حالة مشحونة وقادرة على "إعادة الشحن" بحيث يمكن استخدامه بشكل متكرر. قبل عامين فقط ، ابتكر نفس علماء معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وقودًا شمسيًا يمكنه اختبار 2000 دورة شحن / تفريغ على الأقل دون تدهور واضح للأداء.
كان الابتكار هو الجمع بين الوقود (كان azobenzene) مع الأنابيب النانوية الكربونية. ونتيجة لذلك ، اصطفت جزيئاتها بطريقة معينة. كان للوقود الناتج كفاءة بنسبة 14 ٪ ، وكثافة طاقة مماثلة لتلك الموجودة في بطارية حمض الرصاص.
الجسيمات النانوية لكبريتيد النحاس والزنك والقصديرفي الأعمال الأحدث ، تم تصنيع الوقود الشمسي على شكل أغشية شفافة يمكن أن تنقر على الزجاج الأمامي للسيارة. في الليل ، تذوب الأفلام الجليد بسبب الطاقة المكتسبة خلال النهار. لا تترك سرعة التقدم في هذا المجال أي شك في أن الوقود الحراري الشمسي سيتم نقله قريبًا من المختبرات إلى مجال التقنيات المألوفة.
هناك طريقة أخرى لإنتاج الوقود مباشرة من ضوء الشمس (التمثيل الضوئي الاصطناعي) يتم تطويرها من قبل باحثين من جامعة إلينوي في شيكاغو. تستخدم "أوراقها الاصطناعية" ضوء الشمس لتحويل ثاني أكسيد الكربون الجوي إلى "غاز تخليقي" ، وهو مزيج من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون. يمكن حرق الغاز الطبيعي المضغوط أو تحويله إلى أنواع وقود أكثر تقليدية. تساعد العملية على إزالة ثاني أكسيد الكربون الزائد من الغلاف الجوي.
أنشأ فريق ستانفورد خلية نموذجية شمسية باستخدام أنابيب الكربون النانوية والفوليرينات بدلاً من السيليكون. فعاليتها أقل بكثير من الألواح التجارية ، ولكن يتم استخدام الكربون فقط لإنشائها. لا توجد مواد سامة في النموذج الأولي. إنه بديل أكثر خضرة للسيليكون ، لكنه يحتاج إلى العمل على الكفاءة لتحقيق الفوائد الاقتصادية.
البحث مستمر في المواد وتقنيات الإنتاج الأخرى. تشمل إحدى مجالات البحث الواعدة طبقات أحادية ، ومواد ذات طبقة جزيئية واحدة سميكة (مثل الجرافين). على الرغم من أن الكفاءة الكهروضوئية المطلقة لهذه المواد صغيرة ، إلا أن كفاءتها لكل وحدة كتلة تتجاوز ألواح السيليكون المعتادة ألف مرة.
يحاول باحثون آخرون صنع خلايا شمسية ذات مدى متوسط. والفكرة هي إنشاء مادة ذات بنية نانوية أو سبيكة خاصة يمكن للفوتونات أن تعمل فيها طاقة غير كافية للتغلب على فجوة النطاق المعتادة. في مثل هذه المواد ، يمكن لزوج من الفوتونات منخفضة الطاقة أن يطرق إلكترونًا ، والذي لا يمكن تحقيقه في الأجهزة التقليدية ذات الحالة الصلبة. من المحتمل أن تكون هذه الأجهزة أكثر كفاءة ، لأنها تستخدم مجموعة أكبر من الأطوال الموجية.
إن تنوع مجالات البحث للعناصر والمواد الكهروضوئية ، والتقدم المطرد السريع منذ اختراع عنصر السيليكون في عام 1954 ، يبعث على الثقة بأن الحماس لقبول الطاقة الشمسية لن يستمر فحسب ، بل سيزداد.
وتحدث هذه الدراسات في الوقت المناسب. في دراسة تلوية حديثة ، تبين أن الطاقة الشمسية تفوقت على النفط والغاز من حيث نسبة الطاقة المستلمة إلى الطاقة المستهلكة ، أو في كفاءة الطاقة. هذه نقطة تحول مهمة.
ليس هناك شك في أن الطاقة الشمسية نتيجة لذلك سوف تتحول إلى شكل هام ، إن لم يكن مهيمنًا ، من الطاقة في كل من الصناعة والقطاع الخاص. ومن المأمول أن يحدث انخفاض في الحاجة إلى حرق الوقود الأحفوري قبل حدوث تغير مناخي عالمي لا رجعة فيه.