نيروگاه‌هاي خورشيدي بسيار کارآمدتر از حالت فعلي خواهند شد
راندمان پايين و قيمت بالا از بزرگ‌ترين معايب انرژي خورشيدي هستند. پژوهشگران ادعا کرده‌اند که با ساخت جاذب‌هايي سيليکوني گام بلندي براي حل اين مشکل برداشته‌اند.
تامين انرژي پايدار در شبانه‌روز و ساعات ابري يکي از مشکلات منابع انرژي خورشيدي است. پژوهشگران دانشگاه پردو نوعي ويفر سيليکوني ۲ اينچي با پوشش نازکي از تانتال و سيليکون نيتريد براي جذب بالاي تابش خورشيدي ساختند. اين جاذب‌هاي خورشيدي براي استفاده در نيروگاه‌هاي متمرکزکننده‌ي توان خورشيد که امکان کار ۲۴ ساعته را دارند در نظر گرفته شده‌اند. اين نيروگاه‌ها در هنگام فراهم بودن تابش خورشيد از انرژي تابشي مستقيم و در شب‌ها و هواي ابري 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.
چيزي که اين تحقيقات را پيچيده مي‌ساخت تغيير خواص مواد، در گذار از دماي اتاق به دماي حدود ۵۰۰ درجه‌ي سانتي‌گراد بود. با استفاده از توسعه‌ي پژوهش‌هاي قبلي در اين زمينه، محققان مدل دقيقي براي شبيه‌سازي رايانه‌اي تغييرات ويژگي‌هاي مواد با افزايش دما طراحي کردند. اين مدل به آن‌ها کمک کرد تا سيليکون را به فرمي بسازند که در آن لايه‌هايي نازک روي هم قرار گيرند و ساختاري ويفرمانند به وجود آورند که عملکرد بسيار خوبي در دماهاي بالا دارد.
پژوهشگران نشان دادند که امکان بهبود دادن ويفرهاي سيليکوني تجاري به ساختاري که انرژي خورشيدي را به صورت کارآمدي جذب کرده و دماها و زمان‌هاي بهره‌وري بالا را که براي نيروگاه‌هاي متمرکزکننده‌ي توان لازم است تاب آورد، وجود دارد.
اين پژوهش، فعالان جهاني در اين عرصه را بر آن داشته تا سامانه‌هايي هيبريدي بسازند. در اين سامانه‌ها، سلول‌هاي فتوولتائيک، نور مرئي و ماورابنفش را به الکتريسيته تبديل مي‌کنند. همچنين دستگاه‌هاي ترموالکتريک شب‌ها حرارت ذخيره شده را به الکتريسيته تبديل مي‌کنند و توربين‌ها از انرژي تابشي روزانه الکتريسيته توليد مي‌کنند.
اين سامانه‌هاي ترموالکتريک و توربين‌هاي بخار با استفاده از حرارت نور متمرکز شده‌ي خورشيد که از آينه‌هاي سهموي در يک جذب‌کننده يا دفع‌کننده‌ي انتخابي حاصل مي‌شود، کار مي‌کنند. چنين جاذبي 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 انرژي توربين‌هاي بخار را تامين مي‌کند. براي جذب کارامدتر گرما از خورشيد نياز است تا جاذب طراحي شده از مواد ارزان قيمت، به صورت انتخابي تنها فوتون‌هايي از يک طيف ويژه را جذب کنند در حالي که بقيه‌ي طيف‌ها را بازتاب مي‌دهند.
نکته‌ي کليدي در جذب کارآمد انرژي تابشي خورشيد، انجام دو روندي است که در تقابل باهم قرار دارند. يکي از اين دو روند عبارتست از جذب حداکثري انرژي از خورشيد و گرم شدن سيستم و روند ديگر نيز معطوف به جلوگيري از بازتابش حاصل از جسم گرم شده يا به حداقل رساندن آن است. به نقل از پيتر برمل استاديار دانشکده‌ي برق و کامپيوتر دانشگاه پردو :
نکته‌ي کليدي در جذب کارآمد انرژي تابشي خورشيد، انجام دو روندي است که در تقابل باهم قرار دارند. يکي از اين دو روند عبارتست از جذب حداکثري انرژي از خورشيد و گرم شدن سيستم و روند ديگر نيز معطوف به جلوگيري از بازتابش حاصل از جسم گرم شده يا به حداقل رساندن آن است. اگر به جسمي مدام گرما بدهيد، پس از مدتي سرخ شده و از خود گرما ساطع مي‌کند. ما در تيم تحقيقاتي خود سعي مي‌کنيم تا از بازتابش نور و گرما جلوگيري کنيم و کاري کنيم که جسم هم در اين حال بتواند به جذب نور خود ادامه دهد و به اين ترتيب قادر خواهيم بود تا جاذب‌هايي کارآمدتر ساخته و راندمان الکتريسيته‌ي خورشيدي‌حرارتي را افزايش دهيم.
گروه پژوهشي او درحال بهبوددهي ويفرهايي سيليکوني هستند تا جاييکه اين ويفرها بتوانند دماي ۵۳۵ درجه‌ي سانتي‌گراد را بدون از دست دادن پايداري و کاراييشان، تاب بياورند. برمل بيان کرده است:
ما در اين پژوهش از مواد سيليکوني اوراقي استفاده کرديم تا ساختاري ارزان‌قيمت را به‌وجود آوريم که نور زيادي را جذب کرده و گرماي حداقلي را از خود بيرون دهد. همچنين اضافه کردن يک لايه‌ي بالايي و يک لايه در زير ويفرها باعث شد تا جذب نور بهتر انجام شود و در مقابل طول موج بازتابشي از آن بلند (و در نتيجه انرژي اتلافي کم‌تر) باشد.
اين پژوهش نشان داد که تبديل با کارايي بالاي انرژي خورشيدي‌حرارتي، با مواد رايج و ساختارهاي ساده نيز امکان‌پذير است. اين گامي بزرگ به سمت کاربردي شدن اين فناوري است و مي تواند الهام‌بخش محققان بسياري در اين عرصه باشد. اين ابزار خورشيدي سيليکوني داراي يک لايه‌ي سيليکوني بالايي ضد تابش ساخته‌شده از سيليکون نيتريد و يک لايه‌ي بازتاب‌کننده‌‌ي ساخته شده از نقره در زير است.
همزمان، انعطاف‌پذيري لايه‌هاي نازک نيز قابليت‌هاي بالقوه‌ي مفيدي را رقم مي‌زند. از آن‌جا که اين لايه‌ها قابليت خمش‌پذيري دارند، مي‌توان از آن‌ها در سازه‌هاي داراي انحنا مانند آينه‌هاي سهموي براي 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 سيستم‌هاي خورشيدي ترکيبي (تابشي‌حرارتي) مي‌توانند به راندمان‌هاي بيش از ۵۰ درصد برسند که در مقايسه با راندمان ۳۱ درصدي فتوولتائيک‌ها بسيار قابل توجه است. پژوهشگران تخمين زده‌اند که با متمرکز ساختن ۵۰ برابري نور خورشيد توسط آينه‌هاي سهموي روي ويفرهاي مزبور، رسيدن به راندمان ۵۱.۵ درصدي تبديل نور به حرارت‌هاي بالا (تا ۴۹۰ سانتي‌گراد) قابل دستيابي است.
پژوهش‌هاي آينده شامل مطالعات روي روش شکل‌دهي و ساخت لايه‌هاي نازک انعطاف‌پذير است. هدف دراز مدت، تجميع تمامي اجزا در يک سامانه‌ي کارامد براي توليد مداوم برق خورشيدي است. اين سامانه‌ها براي کاربرد در مقياس‌هاي بزرگ نيروگاهي و مقياس‌هاي خانگي قابل استفاده خواهند بود.
