علمی، پژوهشی و فناوری

تولید برق پاک از نمای شیشه‌ای ساختمان‌ها امکان پذیر می‌شود

به گزارش پایگاه خبری علم و فناوری : هرچه گذار سریع به انرژی پاک و تجدیدپذیر ضروری‌تر می‌شود، تلاش دانشمندان در رقابت برای توسعه فناوری‌های پیشرفته‌ای که انرژی خورشید را به طور مؤثرتری مهار کند نیز بیشتر می‌شود.

از جمله این نوآوری‌ها که توجه بسیاری را به خود جلب می‌کنند، متمرکزکننده‌های خورشیدی درخشان هستند که به دلیل توانایی شان در تغییر نحوه مهار و استفاده از انرژی خورشیدی مورد توجه قرار گرفته اند.

«ویلفرد ون سارک» «Wilfried van Sark» استاد موسسه توسعه پایدار کوپرنیک در دانشگاه اوترخت هلند و مجری این تحقیقات، می‌گوید: «متمرکز کننده‌های خورشیدی درخشان یک نوع منحصر به فرد از دستگاه‌های تبدیل انرژی خورشیدی هستند. آنها به عنوان جایگزین امیدوارکننده‌ای برای پنل‌های خورشیدی سنتی دیده می‌شوند، زیرا می‌توانند به طور یکپارچه در زیرساخت‌های موجود مانند پنجره‌ها و نمای ساختمان ادغام شده که آنها را به ویژه برای محیط‌های شهری جذاب می‌کند.»

ون سارک افزود: «این متمرکز کننده‌ها معمولا از یک ماده شفاف نازک به نام موجبَر تشکیل می‌شوند که پر از لومینوفورهاست. لومینوفور‌ها مولکول‌ها یا نانوذرات ویژه‌ای هستند که نور خورشید را جذب و در طول موج‌های طولانی‌تر بازتاب می‌کنند. این تغییر طول موج، به نور بازتابیده شده اجازه می‌دهد تا از طریق فرآیندی به نام بازتاب داخلی کامل، در داخل موجبر محصور بماند. سپس نور به سمت لبه‌ها هدایت می‌شود، جایی که سلول‌های خورشیدی آن را به برق تبدیل می‌کنند.»

ون سارک می‌گوید: «این لومینوفور‌ها برای عملکرد به عنوان پنجره‌های شفاف و جمع آوری انرژی، باید به تعادل ظریفی دست یابند: حداقل شدن جذب نور مرئی و در عین حال جذب موثر طول موج‌های فرابنفش و مادون قرمز. این امر شفافیت دستگاه‌ها را حفظ و آنها را برای ادغام در ساختار‌های شیشه‌ای سنگین مانند آسمان خراش‌ها که نما‌های بزرگی برای برداشت انرژی دارند، مناسب می‌کند.»

اگرچه همه چیز از نظر تئوری و روی کاغذ عالی است، اما هنوز مشخص نشده چه لومینوفور‌هایی کارآمدتر هستند، چگونه در متمرکز کننده‌های خورشیدی درخشان واقعی کار می‌کنند و بهینه‌ترین طراحی برای این دستگاه‌ها چیست.

شناسایی بهترین لومینوفور

این پژوهشگران برای یافتن بهترین مولکول‌های جاذب انرژی که به عنوان لومینوفور عمل می‌کنند، چگونگی برهمکنش نور در موجبر - نحوه جذب، انتشار مجدد و هدایت آن به سمت صفحات خورشیدی کوچک در لبه ها- را با استفاده از شبیه سازی‌های پیشرفته مطالعه کردند.

آنها غلظت‌های مختلف ۹۲ لومینوفور شناخته شده را با «پلی متیل متاکریلات» که یک ماده موجبر شفاف است و معمولا در متمرکز کننده‌های خورشیدی استفاده می‌شود، آزمایش کردند تا کارآمدترین تنظیمات را برای جذب و تبدیل نور خورشید به انرژی بیابند.

ون سارک می‌گوید: «عملکرد، به طیف جذب و انتشار لومینوفور‌های استفاده شده بستگی دارد. هرچه طیف جذب گسترده‌تر باشد، نور بیشتری می‌تواند برای تولید برق استفاده شود. پارامتر ضروری دیگری که باید بهینه شود بازدهی کوانتومی لومینوفور مورد استفاده یعنی چگونگی ساطع شدن نور کارآمد است. هر گونه تلفات جذب یا پراکندگی در موجبر باید تا حد امکان اندک باشد.»

چالش دیگری که باید تضمین شود توانایی لومینوفور‌ها در تبدیل موثر انرژی خورشیدی به برق و همچنین انتقال نور با حداقل تلفات است. همچنین، آنها باید رنگ طبیعی شبه نورخورشید را حفظ کنند که یک ویژگی ضروری برای کاربرد‌های آینده در پنجره‌ها محسوب می‌شود. از این رو ایجاد تعادل بین این عوامل کار آسانی نیست.

پژوهشگران هلندی پس از آزمایش با ترکیب‌ها و پیکربندی‌های مختلف لومینوفورها، دریافتند کارآمدترین راه اندازی شامل یک موجبر منفرد پر از نانوذرات هسته - پوسته سولفید ایندیم مس/سولفید روی است. این مواد به ویژه در جذب نور خورشید در طیف گسترده‌ای از طول موج ها، به ویژه اشعه ماوراء بنفش و مادون قرمز موثر هستند.

آنها همچنین ترکیب‌های مختلفی از موجبر‌های روی هم چیده شده با نورافکن‌های مختلف را بررسی کردند تا ببینند که آیا چنین طرح‌هایی می‌توانند منجر به بهبود کارایی کلی شوند یا خیر.

این دانشمندان می‌گویند: «لومینوفور‌های انتخاب شده فعلی، با توجه به طیف جذبی و بازده کوانتومی و همچنین محدودیت شفافیت بالای شان، حداکثر بازدهی تبدیل انرژی خورشیدی در حدود یک درصد در مقایسه با بیش از ۲۰ درصد در سلول‌های خورشیدی معمولی امکان پذیر است. روی هم قرار دادن دو یا سه موجبر با لومینوفور‌های مختلف تنها به میزان اندکی بازدهی تبدیل انرژی خورشیدی را بهبود می‌بخشد و بنابراین به دلایل اقتصادی، این ممکن است جالب نباشد.»

با وجود بازدهی نسبتا پایین متمرکز کننده‌های خورشیدی درخشان در مقایسه با پنل‌های خورشیدی سنتی، آنها همچنان برای کاربرد‌های تجاری خاص امیدوار کننده هستند.

ون سارک خاطر نشان کرد: اگرچه ممکن است بازدهی کمتر از پنل‌های خورشیدی استاندارد باشد، اما مطابق با الزامات آینده (EU) برای توسعه ساختمان‌های انرژی مثبت و مساحت وسیعی که در چنین ساختمان‌های مرتفعی وجود دارد، استفاده از آنها را تضمین می‌کند.

این محققان پیش بینی می‌کنند پیشرفت‌های آینده در طراحی مواد و همچنین فناوری موجبر، می‌تواند در نهایت کارایی آنها را تا حدود ۱۰ درصد افزایش دهد. یکی دیگر از راه‌های تاثیرگذاری بر کارایی مبدل‌های خورشیدی درخشان، بهبود طراحی سلول‌های خورشیدی است که در این دستگاه‌ها یکپارچه هستند.