8- منابع انرژی تجدید پذیر برای تولید برق: انرژی خورشیدی

[najm143]

پنل‌های خورشیدی که هنگام غروب هم کار می‌کنند



بررسی یک پژوهشگر آمریکایی نشان می‌دهد پنل‌های خورشیدی که به شیوه مخصوصی طراحی شده‌اند، می‌توانند هنگام غروب خورشید هم کارآیی داشته باشند.

پژوهشی که در "دانشگاه کالیفرنیا، دیویس" (UC Davis) آمریکا انجام شده، نشان می‌دهد پنل‌های خورشیدی که به شکل خاصی طراحی شده‌اند، می‌توانند با تولید انرژی هنگام غروب خورشید، مشکلات مربوط به تعادل انرژی را حل کنند.

پنل‌های خورشیدی قدیمی، تحت تاثیر تغییرات فصلی قرار می‌گیرند و در شب نیز کار نمی‌کنند. تنها غروب خورشید نیست که این پنل‌ها را از تامین انرژی پایدار برای مردم بازمی‌دارد، بلکه آب و هوای ابری و کوتاه شدن روز نیز در این موضوع، موثر هستند.

پروفسور "جرمی ماندی" (Jeremy Munday)، استاد دانشگاه کالیفرنیا، دیویس برای برطرف کردن این مشکل، راه حلی پیدا کرده است که امکان به دست آوردن الکتریسیته از آسمان شب را فراهم می‌کند.

پنل‌های خورشیدی مخصوص شب، مانند پنل‌های خورشیدی مخصوص روز کار می‌کنند اما روش کار آنها دقیقا برعکس است. گرمای خورشید، هر شب به صورت پرتو مادون قرمز به سوی زمین می‌آید تا این سیاره را در دمای ثابت نگه دارد.

ماندی گفت: نیروی یک پنل خورشیدی عادی، با جذب نور خورشید تامین می‌شود. نور در این ابزار جدید، به جای جذب شدن، منتشر می‌شود و جریان و ولتاژ به جهت مخالف می‌روند اما تولید نیرو ادامه می‌یابد.

شاید این ابزار بتواند در هر متر مربع، تا 50 وات انرژی تولید کند که یک چهارم انرژی تولید شده با پنل‌های معمولی طی روز است. این پنل‌های جدید در صورت کوتاه شدن روز و توقف نور، طی روز هم کار می‌کنند. برخی پژوهش‌ها حاکی از این هستند که حتی می‌توان از این پنل‌ها برای مهار گرمای ناشی از ماشین‌آلات استفاه کرد.

ماندی افزود: برای ساخت این پنل‌ها، از مواد متفاوتی استفاده می‌شود اما فیزیک هر دو نوع پنل، مشابه است.

پژوهشگران "دانشگاه استنفورد" (Stanford University) نیز سال گذشته طی پروژه‌ای تلاش کردند تا از تفاوت دمای روز و شب برای تولید الکتریسیته استفاده کنند. آنها تلاش کردند تا کارآیی این فناوری را ثابت کنند اما هنوز راه زیادی برای اثبات کارآیی و عملکرد این پنل‌ها وجود دارد.

شاید پنل‌های خورشیدی دانشگاه کالیفرنیا، دیویس، نخستین نمونه از چنین پنل‌هایی باشند اما این امکان وجود دارد که با قرار گرفتن در معرض تغییرات آب و هوایی و سطح پایین نور نیز به تامین انرژی بپردازند.

[najm143]

افزایش بازدهی سلول‌های خورشیدی با نانولوله کربنی



پژوهشگران دانشگاه شهید مدنی آذربایجان طی طرحی موفق شدند با اعمال نانولوله‌های کربنی به درون ساختار سلول‌های خورشیدی پروفسکایتی، بازدهی تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی را در این نوع سلول‌های خورشیدی به بیش از ۱۷ درصد افزایش دهند.

سلول­‌های خورشیدی پروفسکایتی به دلیل دارا بودن بازده تبدیل توان مناسب و روش ساخت آسان در سال­‌های اخیر موردتوجه زیادی قرار گرفته‌اند. با این وجود محققان در تلاش‌ هستند ضمن کاهش هرچه بیشتر هزینه ساخت این نوع سلول‌های خورشیدی، بازدهی آن‌ها را نیز به سطح بالاتری ارتقا دهند.

سمیرا آقبلاغی، عضو هیئت‌علمی دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، هدف از انجام این طرح را استفاده از نانولوله‌های کربنی در جهت افزایش بازدهی سلول‌های خورشیدی پروفسکایتی عنوان کرد.

به گفته این محقق، در طرح حاضر تلاش شده با استفاده از یک رویکرد آسان و ارزان، بازدهی سلول‌های خورشیدی پروفسکایتی- پلیمری تا مقادیر قابل قبولی افزایش یابد.

این محقق در خصوص نحوه عملکرد نانولوله‌های کربنی در ارتقای کارایی سلول‌های خورشیدی گفت: در کار تحقیقاتی حاضر، با روشی بسیار ساده که شامل پیوندزنی سطح نانولوله‌­های کربنی با دو نوع پلی­تیوفن فضاویژه (پلی(۳-هگزیل­تیوفن)) و غیرفضاویژه (پلی(دودسیل تیوفن)) بوده، بازده سلول­‌های خورشیدی پروفسکایتی ساخته شده از ۱۱.۱۰ درصد به ۱۷.۴۰ درصد افزایش یافته است. دلیل بهبود کارایی دیوایس‌های ساخته شده به بلورینگی و نظم بالا در لایه­ فعال، رشد اندازه­ نواحی انتقال ­دهنده بار و همچنین افزایش قابل ملاحظه­ انتقال الکترون و حفره نسبت داده شده است.

آقبلاغی در رابطه با اثر معکوس نانولوله کربنی بدون اعمال اصلاح سطحی بر عملکرد سلول‌های خورشیدی افزود: استفاده از ترکیبات کربنی نظیر نانولوله­‌های کربنی در لایه­ فعال سلول­‌های خورشیدی پروفسکایتی در اغلب موارد منجر به کاهش عملکرد آن‌­ها می­‌شود. در این کار تحقیقاتی نیز چنین اثر معکوسی بر روی مشخصه­ دستگاه ساخته شده ملاحظه شد (کاهش بازده از ۱۱.۱۰ درصد به ۹.۳۲ درصد). اما اصلاح سطحی نانولوله‌های کربنی به روش شیمیایی پیوندزنی باعث بهبود چشمگیر مورفولوژی، انتقال بار و در نتیجه عملکرد سلول­‌های فتوولتاییکی شد.

وی در خصوص پارامترهای عملیات به‌دست‌آمده از سلول خورشیدی بهینه‌شده، گفت: در حالت بهینه، مقادیر جریان مدار کوتاه (Jsc)، ضریب پرشوندگی (FF)، ولتاژ مدارباز (Voc) و بازده تبدیل توان (PCE) به mA/cm2 ۲۳.۶۰، ۷۶%، V ۰.۹۷ و ۱۷.۴۰ درصد رسید. این در حالی است که مقادیر پارامترهای متناظر در دیوایس­ اولیه به ترتیب برابر با mA/cm2 ۱۷.۹۰، ۶۶%، V ۰.۹۴ و ۱۱.۱۰ درصد بوده‌­اند. علاوه بر این، رشد نواحی بلورین پروفسکایتی از ۲۳۰ نانومتر تا مرز ۶۰۰ نانومتر اتفاق افتاد.

نتایج این پژوهش که حاصل تلاش سمیرا آقبلاغی، عضو هیئت‌علمی دانشگاه شهید مدنی آذربایجان در زمینه سلول‌های خورشیدی است، در New Journal of Chemistry با ضریب تأثیر ۳٫۰۶۹ به چاپ رسیده است.

[najm143]

کارایی پنل‌های خورشیدی با استفاده از مواد دو‌بعدی پروسکیتی افزایش می‌یابد



محققان کره‌ای با بررسی مواد دو‌بعدی پروسکیتی (پروسکایت) در پنل‌های خورشیدی نشان دادند که چگونه می‌توان کارایی این پنل‌ها را با بهینه‌سازی این مواد دوبعدی افزایش داد.

مواد دو‌بعدی مورد استفاده در پنل‌های خورشیدی می‌تواند موجب افزایش کارایی این پنل‌ها شود. محققان موسسه فناوری جورجیا با همکاری پژوهشگرانی از KAUST با تنظیم ساختاری از جنس مواد دو‌بعدی پروسکیتی نشان دادند که می‌توان طول عمر حاملان پرانرژی داغ را تابش نور افزایش داد. این راهبرد می‌تواند راهی برای جذب بهتر انرژی خورشید باشد.

پروسکیت‌های اورگانیک غیرآلی هیبریدی مواد جذابی برای پنل‌های خورشیدی هستند چرا که نسبت به سیلیکون ارزان‌تر هستند.

"جون‌بین" از اعضا این گروه تحقیقاتی می‌گوید: «به‌عنوان جایگزینی برای پروسکیت‌های هیبریدی سه‌بعدی، پروسکیت‌های دو‌بعدی هیبریدی می‌توانند پایداری را در برابر رطوبت افزایش دهد. با این حال خنک کردن حاملین بار هنوز موردمطالعه قرار نگرفته است.»

حاملین داغ به دلیل طیف گسترده‌ای از انرژی‌های خورشیدی تشکیل می‌شوند که از نور مادون قرمز تا نور مرئی قرمز و از بنفش تا فرابنفش می‌توانند روی این حاملین اثرگذار باشند. زمانی که تابش به پنل خورشیدی انجام می‌شود، الکترون‌ها به حالت برانگیخته درمی‌آیند، نور با انرژی بالا می‌تواند حاملین داغ بسیار برانگیخته ایجاد کند، اما بخشی از این انرژی جذب نشده و از دست می‌رود.

این گروه تحقیقاتی به بررسی این موضوع پرداخت که آیا تغییر ترکیب آلی ساختار دو‌بعدی پروسکیتی می‌تواند سرعت فرآیند خنک کردن حاملین بار را کاهش داده و در نتیجه تمام انرژی جذب شود.

آنها با استفاده از طیف‌سنجی لیزر بسیار سریع مواد پروسکیتی یدید سرب را با سه ماده آلی مختلف یعنی اتانول آمین (EA)، آمینوپروپانول (AP) و فنیل اتیل آمین (PEA) موردبررسی قرار دادند.

آنها تفاوت معنی‌داری بین این سه ماده پیدا کردند. نتایج نشان داد در صورتی که تک‌بلور EA ۲ pbI ۴ استفاده شود سرعت سرد شدن کمتر است. این گروه معتقد است که یافتن چگونگی کاهش دما در دینامیک حاملین داغ در پروسکیت‌های دو‌بعدی می‌تواند به طراحی پنل‌های خورشیدی با کارایی بالا کمک کند.

[najm143]

سلول‌های خورشیدی ارگانیک



سلول‌های خورشیدی ساخته شده از مواد ارگانیک در مقایسه با همتای سیلیکونی خود، بازده بسیار کمتری دارند. اما به دلیل هزینه ساخت پایین و همچنین قابلیت‌هایی مانند انعطاف پذیری برای مصارف غیرصنعتی مناسب هستند.

از سلول خورشیدی ارگانیک‌ می‌توان در شیشه‌های اتومبیل، شیشه‌های خانه‌ها و هر مکان دیگری که باید شفاف باشد، استفاده کرد.

این سلول‌ها از مواد پلیمری ساخته شده و دارای ۳ بخش الکترون دهنده، الکترون گیرنده و حلال می‌باشند. بخش الکترون- دهنده سلول‌های ارگانیک را مولکول‌های کربن تشکیل می دهند. این بخش اغلب از پلیمر‌ها ساخته شده که تغییر مکان الکترون‌های آزاد حاصل از پیوند اُربیتال مادهی الکترون گیرنده و حلال می‌باشند.

این الکترون‌ها ممکن است در اثر تحریک توسط نور یا امواجی با طول موج نزدیک به بخش مرئی طیف نوری آزاد شده باشند. در حقیقت اختلاف انرژی بین بالاترین اُربیتال مولکولی اشغال شده ماده الکترون دهنده با پایینترین اُربیتال مولکولی اشغال شده ماده انرژی گیرنده، تعیین کننده میزان نوری است که می‌تواند توسط سلول جذب شود. از آنجا که سلول‌های فتوولتائیک ارگانیک به سادگی قابلیت حل شدن در حلال‌های ویژه را دارند، می‌توانند با انواع مواد فرعی نظیر شیشه، پلاستیک و حتی کاغذ ترکیب شده، الکتریسیته تولید نمایند.

اساس کار سلول‌های خورشیدی مرکب، انتقال الکترون بین دو ماده مختلف در اثر محرکی به نام نور است. از این رو به این سیستم ها، سیستم‌های دهنده-گیرنده الکترون نیز اطلاق می‌شود. در این سلول‌ها از مواد الکترون دهنده و الکترون گیرنده به جای اتصالات سیلیکونی استفاده شده است. انتقال الکترون بین دو ماده، از طریق تبدیل دو متریال به فاز گاز در فضای خلاء تعبیه شده بین آن دو و جداسازی اکترون‌های آزاد یک ماده و انتقال آن به دیگری است. برای این منظور، ابتدا مادهی دهنده الکترون و ماده ی گیرنده آن در یک حلال، حل میشوند و سپس با افت انرژی یا چرخش و یا ورود یک ماده فرعی محرک برانگیخته می‌شوند.

تحقیقات نشان می دهد که بیشترین بازده ی سلول‌های فتوولتائیک ارگانیک در آرایشی به دست می‌آید که در آن یک زنجیره پلیمر الکترون دهنده و ترکیباتی از فولیرین به عنوان ماده الکترون گیرنده در یک حلال واسطه ترکیب شده و به تبادل الکترون برای تولید الکتریسیته می پردازند. از این رو بیشترین تحقیقات پژوهشگران برای افزایش بازدهی این سلول‌ها بر بهبود خواص دو ماده الکترون دهنده و الکترون گیرنده متمرکز گشته است.

[najm143]

نيروگاه ديش استرلينگ(Dish Stirling)



اساس کار سیستم‌های متمرکز کننده دیش استرلینگ بر پایه تجمع اشعه خورشید در یک نقطه کانونی، ایجاد حرارت بالا و استفاده از این حرارت به منظور تولید برق می‌باشد. به همین دلیل می‌توان این فناوری را جزو فناوری‌های تولید برق به صورت غیر مستقیم دسته بندی کرد.

در این سیستم‌ها ابتدا نور خورشید به وسیله دیش‌های سهموی شکلی که از طریق سیستم‌های کنترلی همواره بهترین جهت گیری را نسبت به خورشید دارند در نقطه ی کانونی بازتاب پیدا می کنند. از این طریق دمایی بالایی در حدود ۱۰۰۰ درجه در این نقطه ایجاد می شود. از طریق نصب یک سیستم receiver و کلکتور این حرارت بالا جذب می شود و به صورت مستقیم یا غیر مستقیم به موتور استرلینگ (و یا در موارد خاصی به سیکل برایتون) منتقل می شود و فرآیند تولید برق می دهد.

مزیت اصلی این فناوری بازده بالای آن نسبت به روش‌های دیگر استفاده از انرژی خورشیدی است. بازده این سیستم‌ها در شرایط کارکرد مناسب تا ۲۹ % نیز می رسد و قابلیت ایجاد دمایی در حدود ۷۵۰ درجه سلسیوس را دارند.

افزایش ظرفیت PCU ها نیز می تواند منجر به پایین تر آمدن هزینه تمام شده آن‌ها گردد.

یکی از مزیت‌های بزرگ این سیستم قابلیت کارکرد هیبرید آن‌ها با هر نوع سوخت دیگری است (موتور‌های استرلینگ قابلت کار با انواع سوخت‌ها را دارند).



بازای هر دیش ، توان تولید تا ۲۵ کیلو وات برق می تواند باشد. این دیش‌ها را می توان جدا و یا به صورت مرتبط با هم نصب کرد. برای افزایش حرارت و توان دریافتی از اشعه‌های خورشید بازتابی، لازم است که سیستم کنترلی تعقیب کنند‌ه ای جهت دیش را طوری تنظیم کند تا زاویه برخورد تابش (incidence angle) همواره کم باشد.

با توجه به سیستم‌های جذب گرما و تولید برق (موتور‌های استرلینگ و ژنراتور) دیش استرلینگ‌ها و اجزای متفاوتی که در مسیر تولید برق وجود دارند، می توان این فناوری را جزو فناوری‌های پیچیده به حساب آورد. اگرچه این فناوری نسبت به برخی فناوری‌های مشابه انرژی خورشیدی مانند برخی سلول‌های فتوولتائیک از درجه پیچیدگی پایین تری برخوردار است. قسمت عمده ی پیچیدگی این فناوری مربوط به سیستم‌های receiver و موتور و ژنراتور تولید کننده ی برق آن می باشد.

بطور کلی فناوری دیش استرلینگ برای هرنوع شرایط جغرافیایی و آب و هوایی (به شرط وجود تابش) مناسب است. این امر بیشتر به سبب نداشتن اجزای متحرک زیاد و یکنواخت بودن سیستم تولید توان آن است. به همین دلایل، اگرچه این سیستم‌ها هزینه اولیه بالاتری نسبت به بسیاری از فناوری‌ها دارند ولی دارای هزینه‌های نگهداری پایینی هستند. بازده این نیروگاه‌ها نیز نسبت به روش‌های دیگر بالا است. بازده نیروگاه‌های دیش استرلینگ در حدود ۱۲% تا ۲۵ ٪ است و در بیشترین حالت به ۳۰ ٪ نیز میرسد.

برخلاف سلول‌های خورشیدی، نیروگاه‌های بشقابی مشکلی در کار کردن در هوای گرم و خشک ندارند و راندمان آن‌ها کاهش نمی یابد. این نیروگاه‌ها نیاز جدی به آب در سیکل کاری خود ندارند. از این جهات و اگرچه قیمت نهایی آن‌ها بالاتر از سلول‌های pv است، می‌توان به این نوع نیروگاه به عنوان گزینه مناسبی برای شرایط جغرافیایی کشورمان توجه بیشتری داشت. ایران دارای مناطقی گرم و خشک با طول مدت تابش بالایی است که می تواند شرایط مناسبی برای استفاده از این نیروگاه‌ها باشد.


https://aspb1.cdn.asset.aparat.com/apar ... JdbTUoFSNk

https://youtu.be/AdCNnSdtU7U

https://youtu.be/iHPhtWt6IhQ

https://youtu.be/OfSTsPVSMyQ

https://youtu.be/OfSTsPVSMyQ?t=1015

[najm143]

بلوک های خورشیدی جهت تولید برق در ساختمان ها



محققان دانشگاه اکستر فناوری جدیدی ساخته اند که به ساختمان ها کمک می کند انرژی مورد نیاز خود را تولید و مصرف کنند. این بلوک ها یا مربع های خورشیدی (Solar Squared) طوری طراحی شده اند تا به طور نامحسوس کنار یکدیگر قرار گیرد و می توان با آنها یک ساختمان کامل ساخت یا از آن برای نوسازی بخشی از املاک قدیمی استفاده کرد. ساختار بلوک ها شباهت زیادی به بلوک های شیشه ای دارد که می توان آن را جایگزین آجرهای معمولی کرد تا نور وارد خانه شود، هر بلوک دارای مداری های بصری هوشمندی است که آفتاب را در سلول های خورشیدی کوچکی متمرکز می کند. به این ترتیب تولید انرژی هر سلول افزایش می یابد.

مهم‌تر آنکه، مربع‌های خورشیدی هوشمند هستند و تابش‌های خورشیدی ورودی را بر سلول‌های خورشیدی کوچک تعبیه‌شده در آن‌ها، متمرکز می‌کنند؛ این امر موجب افزایش انرژی تولیدی در هر سلول می‌شود. از انرژی الکتریکی تولیدی می‌توان برای استفاده در ساختمان، مغازه یا حتی خودروهای الکتریکی استفاده کرد.

گروه اِکستِر معتقد است که مربع‌ خورشیدی در مقایسه با بلوک‌های شیشه‌ای رایج، عایق حرارتی بهتری است و انرژی موردنیاز ساختمان را نیز تأمین می‌کند.


https://s-v1.tamasha.com/statics/videos ... _n_348.mp4

[najm143]

تبدیل امواج فروسرخ به انرژی



همواره از خورشید امواج الکترومغناطیسی مختلفی به زمین تابیده می شود اما پنل های خورشیدی نمی توانند از تمامی این امواج استفاده کنند. بطور معمول زمانی که از کلمه ی سلول های خورشیدی استفاده می کنیم، منظورمان جذب امواج مرئی خورشید و تبدیل آن ها به انرژی می باشد اما از خورشید امواج دیگری نیز تابیده می شود مه از میان آنها می توان به امواج فروسرخ اشاره کرد.

در همین راستا پژوهشگران مؤسسه سلطنتی فناوری کی‌تی‌اچ سوئد موفق به طراحی ماده ای شده اند که بر روی لایه ی فوقانی پانل های خورشیدی قرار می گیرد و راندمان آن را 25 درصد افزایش می دهد.

یکی از روش هایی که مهندسان به دنبال آن هستند تا کارایی پانل های خورشیدی را افزایش دهند، شارژ این پانل ها با استفاده از نانوذرات می باشد. با تغلیظ این ذرات با رنگ های حاوی یون های فلزات مانند لانتانید می توان با استفاده از پانل های خورشیدی، امواجی دیگر مانند فروسرخ را نیز جذب کرد و انرژی بیشتری تولید کرد.

این ذرات که UCNP نام دارند، اساس کار طراحی پژوهشگران سوئدی می باشد. پژوهشگران می گویند که هنوز راه هایی برای افزایش کارایی این ماده می باشد زیرا امواج فروسرخ می توانند انرژی بیشتری را در اختیار ما بگذراند اما در حال حاضر انرژی زیادی از دست می رود و توسط این ماده جذب نمی شود.

پژوهشگران برای حل این مشکل یک آرایه ی پلیمری که از ترکیب نانوکریستال ها و میکرولنز تشکیل شده اند را طراحی کردند که نحوه ی ورود اشکال مختلف نوری را به نحوی بهینه می کنند که کارایی UCNP ها را افزایش می دهد.

پروفسور Hans Agren، سرپرست محققان و پروفسور شیمی نظری می گوید: “نانولنز های طراحی شده، امواج را به نحوی بر روی ذرات متمرکز می کنند که امواج فروسرخ نیز به امواج مرئی تبدیل می شود و سپس توسط پانل خورشیدی به انرژی تبدیل می شود. ما بدون بهینه سازی این روش توانستیم تولید انرژی توسط پانل های خورشیدی را 10 درصد افزایش دهیم. با کمی تغییرات در این فناوری می توان کارایی آن را تا 20 الی 25 درصد افزایش داد.” خبرهای جذاب دیگر را در صفحه اخبار فناوری و تکنولوژی دیدن فرمایید.