جهاز يحول الحرارة الى كهرباء بكفاءة أعلى

غالبا ما تُهدر الحرارة سواء كان مصدرها من الشمس أو من المحركات والأفران. ولذلك تُعد الأجهزة الحرارية الكهروضوئية، التي تحول الحرارة الى كهرباء، طريقة واعدة وذات كفاءة عالية لجمع الحرارة. بالإضافة لذلك تُشكل أنظمة بسيطة و مُدمجة لتخزين الطاقة الموصولة الى الشبكة أرخص من البطاريات. ولكن الأجهزة المُصنعة حتى الآن لم تف بهذا الوعد كونها باهظه الثمن وليست ذات كفاءة عالية. يمكن للتصميم الجديد للأجهزة الحرارية الكهروضوئية ذوالكفاءة القياسية البالغة 32% أن يغير ذلك (Nature 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2717-7).

تستخدم الأنظمة الحرارية الكهروضوئية مصدراً للطاقة مثل الطاقة الشمسية المُركزة أو تيار غاز ساخن لتسخين مادة حرارية (بواعث حرارية) والتي بدورها تُصدر أشعة تحت حمراء منخفضة الطاقة. تلتقط خلايا كهروضوئية مُصممة خصيصا هذه الأشعة تحت الحمراء وتحولها الى كهرباء.

يتوجب على الأنظمة الحرارية الكهروضوئية، المُصنعة حتى الآن، دمج مواد ذات تكلفة عاليه للحصول على كفاءات عالية لعمليات تحويل الطاقة. معظم الأشعة تحت الحمراء الصادرة من البواعث الحرارية تكون ذات طاقة منخفضة. لذلك تستخدم الأجهزة المتوفرة حاليا بواعث مصممة خصيصا قادرة على إصدار بعض الإشعاعات ذات الطاقة العالية وخلايا كهروضوئية باهظة الثمن مصنوعة من عناصر الانديوم والغاليوم والزرنيخ قادرة على امتصاص الاشعة المنخفضة الطاقة. وبالرغم من ذلك فإن أغلب اشعاعات الباعث الحراري تذهب هبا، لذلك قام العلماء حديثاً بتصنيع خلايا كهروضوئية بطبقة معدنية على سطحها الخلفي مشابهة للمرايا لتعكس الأشعة المنخفضة الطاقة مرة اخرى للباعث لإعادة استخدامها. يقول المهندس الكيميائي أندريه لينيرت انه حتى في أفضل الخلايا تمتص المرآة المعدنية 5% على الأقل من الضوء و بالتالي تُهدر كمية كبيرة من الطاقة.

للحد من عدم الكفاءة المشار اليها توصل فريق لينيرت من جامعة ميشيغين و المهندس الكهربائي ستيفين فوريست الى تصميم خلية قادرة على عكس 99% من الأشعة منخفضة الطاقة مرة اخرى الى الباعث الحراري. وقد تمكنوا من الوصول لذلك بإضافة طبقة هوائية بين أشباه النواقل و المعدن. إذا كانت الطبقة الهوائية سميكة جدا فإنها ستضيف مقاومة كهربائية، لذلك كان يتوجب عليهم الحصول على السماكة المناسبة تماما وهي 600 نانومتر.

قام الفريق بتصنيع أجهزة حرارية كهروضوئية مع الطبقة الهوائية وأيضا بدونها. أدى إضافة الطبقة الهوائية الى زيادة كفاءة تحويل الحرارة الى كهرباء من 24% الى 32%. هذا التغيير البسيط في المخطط أدى الى رفع الكفاءة.

يقول لينيرت ’’ كان أكبرعائق في كفاءة الأجهزة الحرارية الكهروضوئية هو هدر الأشعة ذات الطاقة المنخفضة ’’ ويتابع ’’ والان وبعد أن أصبح لدينا 99% إنعكاس، أصبح الطريق ممهدا للحصول على كفاءات عالية جدا ’’.

وصف أليخاندرو داتاس من معهد الطاقة الشمسية في جامعة البوليتكنيك في مدريد هذا العمل بأنه إنجاز كبير ويقول أنه يُمكّن من كفاءات تحويل تزيد على 40% في المستقبل القريب. هذه الزيادة في كفاءة الأجهزة الحرارية الكهروضوئية ستجعلها قريبة من كفاءة أفضل المحركات الحرارية كفاءةً اليوم “ولكن مع فارق مهم هو أن الأجهزة الحرارية الكهروضوئية يمكن أن تكون بسيطة و صغيرة”.

يمكن للأجهزة الحرارية الكهروضوئية أن تؤدي الى أنظمة مُدمجة لتخزين الطاقة التي تَستخدم الطاقة المتجددة الفائضة لإنتاج الحرارة والتي بدورها تُخزَن في مواد مثل الملح المصهور. ويمكن لهذه الحرارة المُخزنة أن تُستخدم لاحقا لإنتاج كهرباء حسب الطلب. يقول داتاس ’’ نظرأ لإمكانية تخزين الحرارة فإن توليد الكهرباء عن طريق الأجهزة الحرارية الكهروضوئية سيلعب دورا ملحوظأ في حل التحدي المرتبط