نيروگاه‌های خورشيدی بسيار کارآمدتر از حالت فعلی خواهند شد

راندمان پايين و قيمت بالا از بزرگ‌ترين معايب انرژی خورشيدی هستند. پژوهشگران ادعا کرده‌اند که با ساخت جاذب‌هايی سيليکونی گام بلندی برای حل اين مشکل برداشته‌اند.
تامين انرژي پايدار در شبانه‌روز و ساعات ابری يکی از مشکلات منابع انرژی خورشيدی است. پژوهشگران دانشگاه پردو نوعی ويفر سيليکوني ۲ اينچی با پوشش نازکی از تانتال و سيليکون نيتريد برای جذب بالای تابش خورشيدی ساختند. اين جاذب‌های خورشيدی برای استفاده در نيروگاه‌های متمرکزکننده‌ی توان خورشيد که امکان کار ۲۴ ساعته را دارند در نظر گرفته شده‌اند. اين نيروگاه‌ها در هنگام فراهم بودن تابش خورشيد از انرژی تابشی مستقيم و در شب‌ها و هوای ابری از گرماي ذخيره شده در جاذب‌ها استفاده مي‌کنند. جزئيات اين يافته‌ها در مقاله‌اي به تاريخ ۳ آپريل در مجله‌ي علمي اپلايد فيزيک منتشر شده است.
چيزی که اين تحقيقات را پيچيده ميساخت تغيير خواص مواد، در گذار از دمای اتاق به دمای حدود ۵۰۰ درجه‌ی سانتيگراد بود. با استفاده از توسعه‌ی پژوهش‌های قبلی در اين زمينه، محققان مدل دقيقی براي شبيه‌سازی رايانه‌ای تغييرات ويژگيی های مواد با افزايش دما طراحی کردند. اين مدل به آنها کمک کرد تا سيليکون را به فرمی بسازند که در آن لايه‌هايی نازک روی هم قرار گيرند و ساختاری ويفر مانند به وجود آورند که عملکرد بسيار خوبی در دماهای بالا دارد.
پژوهشگران نشان دادند که امکان بهبود دادن ويفرهای سيليکونی تجاری به ساختاری که انرژی خورشيدی را به صورت کارآمدی جذب کرده و دماها و زمان‌های بهره‌وری بالا را که برای نيروگاه‌های متمرکزکننده‌ی توان لازم است تاب آورد، وجود دارد.

اين پژوهش، فعالان جهانی در اين عرصه را بر آن داشته تا سامانه‌هايی هيبريدی بسازند. در اين سامانه‌ها، سلول‌های فتوولتائيک، نور مرئي و ماورابنفش را به الکتريسيته تبديل ميکنند. همچنين دستگاه‌های ترموالکتريک شب‌ها حرارت ذخيره شده را به الکتريسيته تبديل ميکنند و توربين‌ها از انرژی تابشی روزانه الکتريسيته توليد ميکنند.
اين سامانه‌های ترموالکتريک و توربين‌های بخار با استفاده از حرارت نور متمرکز شده‌ی خورشيد که از آينه‌های سهموی در يک جذب‌ کننده يا دفع‌کننده‌ی انتخابی حاصل ميشود، کار ميکنند. چنين جاذبی در اکثر نيروگاه‌ها به صورت نمک مذاب است که در طول روز گرم ميشود (جاذب حرارت) و شب‌ها با دفع اين حرارت به آب و بخار کردن آن انرژی توربين‌های بخار را تامين ميکند. براي جذب کارامدتر گرما از خورشيد نياز است تا جاذب طراحی شده از مواد ارزان قيمت، به صورت انتخابی تنها فوتون‌هايی از يک طيف ويژه را جذب کنند در حالي که بقيه‌ی طيف‌ها را بازتاب ميدهند.
نکته‌ی کليدی در جذب کارآمد انرژی تابشی خورشيد، انجام دو روندی است که در تقابل باهم قرار دارند. يکي از اين دو روند عبارتست از جذب حداکثری انرژی از خورشيد و گرم شدن سيستم و روند ديگر نيز معطوف به جلوگيری از بازتابش حاصل از جسم گرم شده يا به حداقل رساندن آن است. به نقل از پيتر برمل استاديار دانشکده‌ی برق و کامپيوتر دانشگاه پردو:
نکته‌ی کليدی در جذب کارآمد انرژی تابشی خورشيد، انجام دو روندی است که در تقابل باهم قرار دارند. يکی از اين دو روند عبارتست از جذب حداکثری انرژی از خورشيد و گرم شدن سيستم و روند ديگر نيز معطوف به جلوگيری از بازتابش حاصل از جسم گرم شده يا به حداقل رساندن آن است. اگر به جسمی مدام گرما بدهيد، پس از مدتی سرخ شده و از خود گرما ساطع ميکند. ما در تيم تحقيقاتی خود سعی ميکنيم تا از بازتابش نور و گرما جلوگيری کنيم و کاری کنيم که جسم هم در اين حال بتواند به جذب نور خود ادامه دهد و به اين‌ ترتيب قادر خواهيم بود تا جاذب‌هايی کارآمدتر ساخته و راندمان الکتريسيته‌ی خورشيدي حرارتی را افزايش دهيم.
گروه پژوهشی او درحال بهبوددهی ويفرهايی سيليکونی هستند تا جاييکه اين ويفرها بتوانند دمای ۵۳۵ درجه‌ی سانتيگراد را بدون از دست دادن پايداری و کاراييشان، تاب بياورند. برمل بيان کرده است:
ما در اين پژوهش از مواد سيليکونی اوراقی استفاده کرديم تا ساختاری ارزان‌ قيمت را به‌ وجود آوريم که نور زيادی را جذب کرده و گرمای حداقلی را از خود بيرون دهد. همچنين اضافه کردن يک لايه‌ی بالايی و يک لايه در زير ويفرها باعث شد تا جذب نور بهتر انجام شود و در مقابل طول موج بازتابشی از آن بلند (و در نتيجه انرژی اتلافی کم‌تر) باشد.
اين پژوهش نشان داد که تبديل با کارايی بالای انرژی خورشيديی حرارتی، با مواد رايج و ساختارهای ساده نيز امکانپذير است. اين گامی بزرگ به سمت کاربردی شدن اين فناوری است و ميتواند الهام‌بخش محققان بسياری در اين عرصه باشد. اين ابزار خورشيدی سيليکونی دارای يک لايه‌ی سيليکونی بالايی ضد تابش ساخته‌شده از سيليکون نيتريد و يک لايه‌ی بازتاب‌ کننده‌‌ی ساخته شده از نقره در زير است.
همزمان، انعطاف‌پذيری لايه‌های نازک نيز قابليت‌های بالقوه‌ی مفيدی را رقم ميزند. از آنجا که اين لايه‌ها قابليت خمش‌پذيری دارند، ميتوان از آنها در سازه‌های دارای انحنا مانند آينه‌های سهموی برای دريافت متمرکز نور خورشيد استفاده کرد. اين آينه‌ها در تمام طول روز خورشيد را تعقيب ميکنند و نور آن را تا ۵۰ بار متمرکز ميکنند.
به طور ايده‌آل سيستم‌های خورشيدی ترکيبی (تابشی حرارتی) ميتوانند به راندمان‌های بيش از ۵۰ درصد برسند که در مقايسه با راندمان ۳۱ درصدی فتوولتائيک‌ها بسيار قابل توجه است. پژوهشگران تخمين زده‌اند که با متمرکز ساختن ۵۰ برابری نور خورشيد توسط آينه‌های سهموی روی ويفرهای مزبور، رسيدن به راندمان ۵۱.۵ درصدی تبديل نور به حرارت‌های بالا (تا ۴۹۰ سانتيگراد) قابل دستيابی است.
پژوهش‌های آينده شامل مطالعات روی روش شکل‌دهی و ساخت لايه‌های نازک انعطاف‌پذير است. هدف درازمدت، تجميع تمامی اجزا در يک سامانه‌ی کارامد برای توليد مداوم برق خورشيدی است. اين سامانه‌ها برای کاربرد در مقياس‌های بزرگ نيروگاهی و مقياس‌های خانگی قابل استفاده خواهند بود.