تفيدنا أحدث التطورات الفريدة في تطبيقات الطاقة الشمسية كل يوم

مع نمو الحضارة ، تزداد الطاقة اللازمة لدعم أسلوب حياتنا كل يوم ، مما يتطلب منا إيجاد طرق جديدة ومبتكرة لتسخير مواردنا المتجددة ، مثل ضوء الشمس ، لخلق المزيد من الطاقة لمجتمعنا لمواصلة التقدم.
لقد وفرت أشعة الشمس الحياة على كوكبنا ومكَّنتها لعدة قرون ، وسواء أكان ذلك بشكل مباشر أو غير مباشر ، تسمح الشمس بتوليد جميع مصادر الطاقة المعروفة تقريبًا مثل الوقود الأحفوري ، والطاقة المائية ، والرياح ، والكتلة الحيوية ، وما إلى ذلك ، ومع نمو الحضارة ، فإن الطاقة اللازمة لدعمها تزداد طريقتنا في الحياة كل يوم ، مما يتطلب منا إيجاد طرق جديدة ومبتكرة لتسخير مواردنا المتجددة ، مثل ضوء الشمس ، لخلق المزيد من الطاقة لمجتمعنا لمواصلة التقدم.

مولد للطاقة الشمسية

بالعودة إلى العالم القديم ، كنا قادرين على البقاء على قيد الحياة على الطاقة الشمسية ، باستخدام ضوء الشمس كمصدر للطاقة نشأ في المباني التي تم بناؤها منذ أكثر من 6000 عام ، من خلال توجيه المنزل بحيث يمر ضوء الشمس عبر الفتحات التي تعمل كشكل من أشكال التدفئة بعد آلاف السنين ، استخدم المصريون واليونانيون نفس التقنية للحفاظ على برودة منازلهم خلال فصل الصيف عن طريق حمايتها من أشعة الشمس [1]. تُستخدم النوافذ الكبيرة ذات الألواح الفردية كنوافذ حرارية شمسية ، مما يسمح بدخول الحرارة من الشمس ولكنها تحبس لم تكن أشعة الشمس ضرورية فقط للحرارة التي أنتجتها في العالم القديم ، بل كانت تستخدم أيضًا لحفظ الطعام والحفاظ عليه من خلال الملح ، وفي التملح تستخدم الشمس لتبخير مياه البحر السامة والحصول على الملح الذي يتم جمعه. في حمامات الشمس [1]. في أواخر عصر النهضة ، اقترح ليوناردو دافنشي أول تطبيق صناعي لمكثفات الطاقة الشمسية المرآة المقعرة كسخانات مياه ، وفي وقت لاحق اقترح ليوناردو أيضًا تقنية لحام كوبباستخدام الإشعاع الشمسي والسماح للحلول التقنية بتشغيل آلات النسيج [1]. قريبًا خلال الثورة الصناعية ، ابتكر دبليو آدمز ما يسمى الآن بالفرن الشمسي ، يحتوي هذا الفرن على ثماني مرايا زجاجية فضية متناظرة تشكل عاكسًا مثمن الأضلاع. مركزة بواسطة المرايا في صندوق خشبي مغطى بالزجاج حيث يتم وضع القدر وتركه يغلي [1]. سريعًا للأمام بضع مئات من السنين وتم بناء محرك البخار الشمسي حوالي عام 1882 [1]. استخدم آبل بيفر مرآة مقعرة 3.5 م وركزها على غلاية بخار أسطوانية تنتج طاقة كافية لتشغيل المطبعة.
في عام 2004 ، تم إنشاء أول محطة تجارية للطاقة الشمسية المركزة في العالم تسمى بلانتا سولار 10 في إشبيلية ، إسبانيا ، حيث تنعكس أشعة الشمس على برج يبلغ ارتفاعه حوالي 624 مترًا ، حيث يتم تركيب مستقبلات الطاقة الشمسية مع التوربينات البخارية والمولدات ، وهذا قادر على توليد الطاقة. لتشغيل أكثر من 5500 منزل. بعد عقد تقريبًا ، في عام 2014 ، تم افتتاح أكبر محطة للطاقة الشمسية في العالم في ولاية كاليفورنيا بالولايات المتحدة الأمريكية. استخدمت المحطة أكثر من 300000 مرآة يتم التحكم فيها ، وسمحت بإنتاج 377 ميجاوات من الكهرباء لتشغيل ما يقرب من 140.000 منزل [ 1].
لا يتم بناء المصانع واستخدامها فحسب ، بل يقوم المستهلكون في متاجر البيع بالتجزئة أيضًا بابتكار تقنيات جديدة ، حيث ظهرت الألواح الشمسية لأول مرة ، وحتى السيارات التي تعمل بالطاقة الشمسية دخلت حيز التنفيذ ، ولكن أحد أحدث التطورات التي لم يتم الإعلان عنها بعد هي الطاقة الشمسية الجديدة- التكنولوجيا القابلة للارتداء التي تعمل بالطاقة: من خلال دمج اتصال USB أو أجهزة أخرى ، فإنه يسمح بالاتصال من الملابس إلى الأجهزة مثل المصادر والهواتف وسماعات الأذن ، والتي يمكن شحنها أثناء التنقل. وصف المعهد وشركة Torah Industries تطوير خلية شمسية عضوية رفيعة من شأنها تسخين الملابس المطبوعة على الملابس ، مما يسمح للخلية بامتصاص الطاقة الشمسية واستخدامها كمصدر للطاقة [2]]. الخلايا الشمسية الدقيقة هي خلايا ضوئية عضوية ذات طاقة حرارية الاستقرار والمرونة حتى 120 درجة مئوية [2]. اعتمد أعضاء المجموعة البحثية الخلايا الكهروضوئية العضوية على مادة تسمى PNTz4T [3] .PNTz4T عبارة عن بوليمر شبه موصّل تم تطويره سابقًا بواسطة Riken من أجل إنعاش ممتاز.ثبات حيوي وكفاءة تحويل عالية للطاقة ، ثم يتم تغطية جانبي الخلية بمادة مطاطية [3]. في هذه العملية ، استخدموا اثنين من المطاط الصناعي الأكريليكي الممدود مسبقًا بسمك 500 ميكرون للسماح للضوء بالدخول الخلية ولكنها تمنع الماء والهواء من دخول الخلية. ويساعد استخدام هذا المطاط الصناعي في تقليل تدهور البطارية نفسها وإطالة عمرها [3].

يعد الماء أحد أبرز عيوب الصناعة ، ويمكن أن يكون سبب انحطاط هذه الخلايا مجموعة متنوعة من العوامل ، ولكن أكبرها هو الماء ، وهو العدو المشترك لأي تقنية ، وأي رطوبة زائدة والتعرض المطول للهواء يمكن أن يؤثر سلبًا على الكفاءة. من الخلايا الكهروضوئية العضوية [4]. بينما يمكنك تجنب وصول الماء إلى جهاز الكمبيوتر أو الهاتف في معظم الحالات ، لا يمكنك تجنبه بملابسك ، سواء كان المطر أو الغسالة ، الماء أمر لا مفر منه. الخلية الكهروضوئية العضوية القائمة بذاتها والخلية الكهروضوئية العضوية المطلية على الوجهين ، تم غمر كلتا الخلايا الكهروضوئية العضوية في الماء لمدة 120 دقيقة ، وخلص إلى أن قوة الخلية الكهروضوئية العضوية القائمة بذاتها كانت كفاءة التحويل تقل فقط عن طريق 5.4٪ انخفضت الخلايا بنسبة 20.8٪ [5].
الشكل 1. كفاءة تحويل الطاقة المعيارية كدالة لوقت الغمر. تمثل أشرطة الخطأ على الرسم البياني الانحراف المعياري الذي تم ضبطه بواسطة متوسط ​​كفاءات تحويل الطاقة الأولية في كل هيكل [5].
يصور الشكل 2 تطورًا آخر في جامعة Nottingham Trent ، وهي خلية شمسية مصغرة يمكن دمجها في خيوط يتم نسجها بعد ذلك في نسيج [2]. تستوفي كل بطارية مدرجة في المنتج معايير معينة للاستخدام ، مثل متطلبات بطول 3 مم وعرض 1.5 مم [2]. كل وحدة مغلفة براتنج مقاوم للماء للسماح بغسل الملابس في غرفة الغسيل أو بسبب الطقس [2]. البطاريات مصممة أيضًا لتوفير الراحة ، وكل منها مثبت في بطريقة لا تبرز أو تهيج جلد مرتديها. في مزيد من البحث ، وجد أنه في قطعة صغيرة من الملابس تشبه قسم 5 سم 2 من القماش يمكن أن تحتوي على ما يزيد قليلاً عن 200 خلية ، وتنتج بشكل مثالي 2.5 - 10 فولت من الطاقة ، و خلص إلى أن هناك 2000 خلية فقط تحتاج إلى أن تكون قادرة على شحن الهواتف الذكية [2].
الشكل 2. خلايا شمسية صغيرة بطول 3 مم وعرض 1.5 مم (الصورة مقدمة من جامعة نوتنغهام ترنت) [2].
تدمج الأقمشة الكهروضوئية اثنين من البوليمرات خفيفة الوزن ومنخفضة التكلفة لإنتاج منسوجات مولدة للطاقة ، أولهما عبارة عن خلية شمسية صغيرة تحصد الطاقة من ضوء الشمس ، ويتكون الثاني من مولد نانوي يحول الطاقة الميكانيكية إلى كهرباء [ 6]. يتكون الجزء الكهروضوئي من النسيج من ألياف البوليمر ، والتي يتم تغطيتها بعد ذلك بطبقات من المنغنيز وأكسيد الزنك (مادة كهروضوئية) ويوديد النحاس (لتجميع الشحنات) [6] ، ثم يتم نسج الخلايا معًا باستخدام سلك نحاسي صغير ومدمج في الثوب.
يكمن السر وراء هذه الابتكارات في الأقطاب الشفافة للأجهزة الكهروضوئية المرنة ، وتعتبر الأقطاب الكهربائية الموصلة الشفافة أحد مكونات الخلايا الكهروضوئية التي تسمح للضوء بالدخول إلى الخلية ، مما يزيد من معدل تجميع الضوء. لتصنيع هذه الأقطاب الكهربائية الشفافة ، والتي تُستخدم لشفافيتها المثالية (> 80٪) ومقاومة الألواح الجيدة فضلاً عن الاستقرار البيئي الممتاز [7]. تعتبر ITO ضرورية لأن جميع مكوناتها بنسب شبه مثالية. يزيد السُمك المقترن بالشفافية والمقاومة من نتائج الأقطاب الكهربائية [7] ، وأي تقلبات في النسبة ستؤثر سلبًا على الأقطاب الكهربية وبالتالي على الأداء. على سبيل المثال ، تؤدي زيادة سماكة القطب إلى تقليل الشفافية والمقاومة ، مما يؤدي إلى تدهور الأداء. ومع ذلك ، فإن ITO هو مورد محدود يتم استهلاكه بسرعة ، ولا تزال الأبحاث جارية لإيجاد بديل لا يحقق فقطITO ، ولكن من المتوقع أن يتجاوز أداء ITO [7].
ازدادت شعبية المواد مثل ركائز البوليمر التي تم تعديلها باستخدام أكاسيد موصلة شفافة حتى الآن. ولسوء الحظ ، فقد ثبت أن هذه الركائز هشة وصلبة وثقيلة ، مما يقلل بشكل كبير من المرونة والأداء [7]. باستخدام الخلايا الشمسية المرنة الشبيهة بالألياف كبدائل للقطب الكهربائي. تتكون البطارية الليفية من قطب كهربائي وسلكين معدنيين متميزين ملتويين ومدمجين مع مادة نشطة لتحل محل القطب [7] ، وقد أظهرت الخلايا الشمسية نتائج واعدة بسبب وزنها الخفيف لكن المشكلة تكمن في عدم وجود منطقة تلامس بين الأسلاك المعدنية مما يقلل من منطقة التلامس وبالتالي يؤدي إلى تدهور أداء الخلايا الكهروضوئية [7].
تعتبر العوامل البيئية أيضًا حافزًا كبيرًا لاستمرار البحث ، حيث يعتمد العالم حاليًا بشكل كبير على مصادر الطاقة غير المتجددة مثل الوقود الأحفوري والفحم والنفط ، وتحويل التركيز من مصادر الطاقة غير المتجددة إلى مصادر الطاقة المتجددة ، بما في ذلك الطاقة الشمسية ، استثمار ضروري للمستقبل ، كل يوم يقوم ملايين الأشخاص بشحن هواتفهم وأجهزة الكمبيوتر وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والساعات الذكية وجميع الأجهزة الإلكترونية ، واستخدام أقمشتنا لشحن هذه الأجهزة فقط عن طريق المشي يمكن أن يقلل من استخدامنا للوقود الأحفوري. تافهة على نطاق صغير من 1 أو حتى 500 شخص ، عند توسيع نطاقها إلى عشرات الملايين ، يمكن أن تقلل بشكل كبير من استخدامنا للوقود الأحفوري.
من المعروف أن الألواح الشمسية في محطات الطاقة الشمسية ، بما في ذلك تلك التي يتم تركيبها فوق المنازل ، تساعد في استخدام الطاقة المتجددة وتقليل استخدام الوقود الأحفوري ، الذي لا يزال يستخدم بكثافة. بناء هذه المزارع ، يمكن للأسرة العادية أن تدعم فقط عددًا معينًا من الألواح الشمسية ، وعدد المزارع الشمسية محدود ، وفي المناطق ذات المساحة الواسعة ، يتردد معظم الناس دائمًا في بناء محطة جديدة للطاقة الشمسية لأنها تغلق الاحتمال بشكل دائم وإمكانات الفرص الأخرى على الأرض ، مثل الأعمال التجارية الجديدة. هناك عدد كبير من منشآت الألواح الكهروضوئية العائمة التي يمكن أن تولد كميات كبيرة من الكهرباء مؤخرًا ، والفائدة الرئيسية لمزارع الطاقة الشمسية العائمة هي خفض التكلفة [8]. الأرض غير مستخدمة ، فلا داعي للقلق بشأن تكاليف التركيب فوق المنازل والمباني ، فجميع مزارع الطاقة الشمسية العائمة المعروفة حاليًا تقع على مسطحات مائية اصطناعية ، وفي المستقبل ستقعمن الممكن وضع هذه المزارع على مسطحات مائية طبيعية.تتمتع الخزانات الاصطناعية بالعديد من المزايا غير الشائعة في المحيطات [9] ، فالخزانات الاصطناعية سهلة الإدارة ، ومع البنية التحتية والطرق السابقة ، يمكن تركيب المزارع ببساطة ، كما تبين أيضًا أن المزارع الشمسية العائمة أكثر إنتاجية من المزارع الشمسية الأرضية بسبب الاختلافات في درجات الحرارة بين الماء والأرض. [9] نظرًا لارتفاع الحرارة النوعية للمياه ، تكون درجة حرارة سطح الأرض أعلى عمومًا من المسطحات المائية ، وقد ثبت أن درجات الحرارة المرتفعة تؤثر سلبًا على أداء معدلات تحويل الألواح الشمسية: في حين أن درجة الحرارة لا تتحكم في مقدار ضوء الشمس الذي تتلقاه اللوحة ، إلا أنها تؤثر على مقدار الطاقة التي تتلقاها من ضوء الشمس ، وفي الطاقات المنخفضة (أي درجات الحرارة الأكثر برودة) ، ستكون الإلكترونات داخل اللوحة الشمسية في حالة السكون ، وبعد ذلك عندما يضرب ضوء الشمس ، سوف يصلون إلى حالة الإثارة [10]. والفرق بين حالة الراحة والحالة المثارة هو مقدار الطاقة المتولدة في الجهد.ht إثارة هذه الإلكترونات ، ولكن يمكن تسخينها أيضًا. إذا كانت الحرارة حول اللوح الشمسي تنشط الإلكترونات وتضعها في حالة اهتياج منخفض ، فلن يكون الجهد كبيرًا عندما يضرب ضوء الشمس اللوحة. تسخينها بسهولة أكبر من الماء ، فمن المرجح أن تكون الإلكترونات الموجودة في الألواح الشمسية على الأرض في حالة إثارة أعلى ، ومن ثم تقع اللوحة الشمسية على أو بالقرب من جسم مائي أكثر برودة. يساعد الماء حول الألواح العائمة على توليد طاقة أكثر بنسبة 12.5٪ من تلك الموجودة على الأرض [9].
حتى الآن ، تلبي الألواح الشمسية 1٪ فقط من احتياجات الطاقة الأمريكية ، ولكن إذا تم زرع هذه المزارع الشمسية على ما يصل إلى ربع خزانات المياه من صنع الإنسان ، فإن الألواح الشمسية ستلبي ما يقرب من 10٪ من احتياجات الطاقة الأمريكية. تم إدخال الألواح في أسرع وقت ممكن ، وفقد خزانان كبيران للمياه في كولورادو الكثير من المياه بسبب التبخر ، ولكن بتركيب هذه الألواح العائمة ، تم منع الخزانات من الجفاف وتم توليد الكهرباء [11]. حتى واحد بالمائة من الإنسان ستكون الخزانات المُصنَّعة والمجهزة بمزارع شمسية كافية لتوليد 400 جيجاوات على الأقل من الكهرباء ، وهو ما يكفي لتشغيل 44 مليار مصباح كهربائي LED لأكثر من عام.
يوضح الشكل 4 أ زيادة الطاقة التي توفرها الخلية الشمسية العائمة فيما يتعلق بالشكل 4 ب ، في حين كان هناك عدد قليل من المزارع الشمسية العائمة في العقد الماضي ، إلا أنها لا تزال تحدث فرقًا كبيرًا في توليد الطاقة. أصبحت أكثر وفرة ، ويقال إن إجمالي الطاقة المنتجة تضاعف ثلاث مرات من 0.5TW في 2018 إلى 1.1TW بحلول نهاية عام 2022. [12].
من الناحية البيئية ، تعتبر هذه المزارع الشمسية العائمة مفيدة للغاية من نواحٍ عديدة. بالإضافة إلى تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري ، تقلل المزارع الشمسية أيضًا من كمية الهواء وأشعة الشمس التي تصل إلى سطح الماء ، مما قد يساعد في عكس تغير المناخ [9]. المزرعة التي تقلل من سرعة الرياح وأشعة الشمس المباشرة التي تصطدم بسطح الماء بنسبة 10٪ على الأقل يمكن أن تعوض عقد كامل من الاحتباس الحراري [9]. من حيث التنوع البيولوجي والبيئة ، لا تظهر أي آثار سلبية كبيرة. تمنع الألواح الرياح العاتية النشاط على سطح الماء ، وبالتالي تقليل التآكل على ضفة النهر ، وحماية وتحفيز الغطاء النباتي. [13]. لا توجد نتائج محددة حول ما إذا كانت الحياة البحرية تتأثر ، ولكن هناك إجراءات مثل الكوخ الحيوي المليء بالصدف الذي أنشأته شركة Ecocean تم غمرها تحت الألواح الكهروضوئية لدعم الحياة البحرية. [13] أحد الاهتمامات الرئيسية للبحث المستمر هو التأثير المحتمل على السلسلة الغذائية بسبب تركيب البنية التحتية مثلالألواح الكهروضوئية الموجودة في المياه المفتوحة بدلاً من الخزانات التي من صنع الإنسان ، فمع انخفاض دخول ضوء الشمس إلى المياه ، يؤدي إلى انخفاض معدل التمثيل الضوئي ، مما يؤدي إلى خسارة هائلة في العوالق النباتية والنباتات الكبيرة. أقل في السلسلة الغذائية ، وما إلى ذلك ، يؤدي إلى دعم الكائنات المائية.
نظرًا لأن الشمس هي أكبر مصدر للطاقة لدينا ، فقد يكون من الصعب إيجاد طرق لتسخير هذه الطاقة واستخدامها في مجتمعاتنا ، حيث تتيح التقنيات والابتكارات الجديدة المتاحة كل يوم تحقيق ذلك ، في حين لا توجد العديد من الملابس التي يمكن ارتداؤها تعمل بالطاقة الشمسية لشراء أو عائمة مزارع شمسية لزيارتها الآن ، فهذا لا يغير حقيقة أن التكنولوجيا ليس لديها إمكانات هائلة أو مستقبل مشرق. الخلايا الشمسية العائمة لديها طريق طويل لتقطعه من منظور الحياة البرية لتكون شائعة مثل الألواح الشمسية فوق المنازل ، ما زال أمام الخلايا الشمسية القابلة للارتداء طريق طويل قبل أن تصبح شائعة مثل الملابس التي نرتديها كل يوم ، ومن المتوقع في المستقبل استخدام الخلايا الشمسية في الحياة اليومية دون الحاجة إلى الاختباء بيننا. الملابس: مع تقدم التكنولوجيا في العقود القادمة ، فإن إمكانات صناعة الطاقة الشمسية لا حصر لها.
حول راج شاه ، الدكتور راج شاه هو مدير شركة Koehler Instrument Company في نيويورك ، حيث عمل لمدة 27 عامًا ، وهو زميل تم انتخابه من قبل زملائه في IChemE ، CMI ، STLE ، AIC ، NLGI ، INSMTC ، معهد الفيزياء ومعهد أبحاث الطاقة والجمعية الملكية للكيمياء. شارك الدكتور شاه ، الحائز على جائزة أيست إم إيجل مؤخرًا ، في تحرير "كتيب الوقود وزيوت التشحيم" الأكثر مبيعًا ، وهو التفاصيل المتوفرة في كتيب الوقود ومواد التشحيم الذي طال انتظاره من ASTM ، الإصدار الثاني - 15 يوليو ، 2020 - ديفيد فيليبس - مقال أخبار صناعة البترول - Petro Online (petro-online.com)
يحمل الدكتور شاه درجة الدكتوراه في الهندسة الكيميائية من جامعة ولاية بنسلفانيا وزميل كلية تشارترد للإدارة بلندن.وهو أيضًا عالم معتمد من المجلس العلمي ومهندس بترول معتمد في معهد الطاقة ومجلس الهندسة في المملكة المتحدة.تم تكريم شاه مؤخرًا كمهندس متميز من قبل Tau beta Pi ، أكبر جمعية هندسية في الولايات المتحدة ، وهو عضو في المجالس الاستشارية لجامعة Farmingdale (التكنولوجيا الميكانيكية) ، وجامعة Auburn (Tribology) ، وجامعة Stony Brook (الهندسة الكيميائية / علم و هندسة المواد).
راج هو أستاذ مساعد في قسم علوم المواد والهندسة الكيميائية في جامعة ولاية نيويورك ستوني بروك ، وقد نشر أكثر من 475 مقالة ونشط في مجال الطاقة لأكثر من 3 سنوات. يمكن العثور على مزيد من المعلومات حول راج في مدير شركة Koehler Instrument Company تم انتخابه كزميل في المعهد الدولي للفيزياء Petro Online (petro-online.com)
السيدة ماريز باسليوس والسيد بليريم غاشي طلاب هندسة كيميائية في جامعة ولاية نيويورك ، ويترأس الدكتور راج شاه المجلس الاستشاري الخارجي للجامعة ، ويشكل ماريز وبليريم جزءًا من برنامج تدريب داخلي متنامٍ في شركة Koehler Instrument، Inc. في هولتزفيل ، نيويورك ، يشجع الطلاب على معرفة المزيد عن عالم تقنيات الطاقة البديلة.