الفهرس
مقدمة
تستخدم أنظمة الطاقة الشمسية تقنيات مختلفة بإمكانها تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة كهربائية أو حرارية لاستخدامها في التطبيقات مختلفة، إلا أن هذه التقنيات تواجه بعض التحديات فيما يتعلق بالكفاءة والتكلفة والاستقرار، ويمكن لتقنية النانو أن تساعد في التغلب على هذه التحديات من خلال استخدام المواد والهياكل النانوية وغيرها التي يمكنها تحسين امتصاص الضوء وتحويل الطاقة وكفاءة الأجهزة الشمسية. في هذا المقال سنتعرف على مفهوم تقنية النانو وكيف يمكنها زيادة كفاءة الأنظمة الشمسية.
ما هي «تقنية النانو – Nano Technology»؟
التقنية النانو هي علم قائم بحد ذاته ويتعلق بمجالات متعددة في العلوم والهندسة ويقصد به معالجة المادة على حجم دقيق جداً يصل إلى مستوى النانو، إذ يمكن أن تظهر خصائص جديدة وفريدة للمواد تختلف عن خصائصها في الحالة الطبيعية. وتتمتع المواد النانوية بمساحة سطح أعلى ونقطة انصهار أقل وذوبان أعلى وتفاعلية كيميائية أعلى وتأثيرات كمية وخواص بصرية يمكن تعديلها من خلال تغيير حجمها وشكلها وتركيبها.
يمكن تصنيف المواد النانوية بناءً على شكلها وأبعادها، مثل الجسيمات النانوية والعصيات النانوية والأنابيب النانوية والكرات النانوية والألياف النانوية والزهور النانوية. يمكن أيضاً أن تتألف المواد النانوية من عناصر أو مركبات مختلفة مثل المعادن وأشباه الموصلات والأكاسيد والمواد القائمة على الكربون والجزيئات العضوية.
ويمكن استخدام تقنية النانو لإنشاء أجهزة وأنظمة جديدة يمكن أن تؤدي وظائف مختلفة على مستوى النانو، مثل الاستشعار والتصوير وتوصيل الدواء والإلكترونيات، وتحويل، وتخزين الطاقة وغيرها. وفي هذا التقرير سنتعرف كيف يمكن لتقنية النانو تحسين أنظمة الطاقة الشمسية في أهم ثلاث تقنيات شمسية.
كيف يمكن لتقنية النانو تحسين الطاقة الشمسية؟
يمكن استخدام تقنيات مختلفة للاستفادة من الطاقة الشمسية مثل الخلايا الكهروضوئية والمجمعات الشمسية الحرارية وأنظمة الطاقة الشمسية المركزة والوقود الشمسي. يمكن لتقنية النانو أن تلعب دوراً أساسياً في تحسين هذه التقنيات من خلال تعزيز امتصاص الضوء وتحويل الطاقة وتحسين كفاءة أجزاء النظام.
الخلايا الكهروضوئية
تعتمد كفاءة الخلية الضوئية على عدة عوامل مثل طبقة فجوة الطاقة للمادة شبه الموصلة وانعكاس وانتقال الضوء على سطح الخلية وإعادة ارتباط أزواج الإلكترونات والفجوات قبل الوصول إلى الأقطاب ودرجة حرارة الخلية.
استخدام المواد النانوية والهياكل النانوية تساعد في تحسين هذه العوامل من خلال:
- زيادة امتصاص الضوء عن طريق إنشاء مساحة سطح أكبر للتفاعل الضوئي وتشتيت الضوء في اتجاهات أو أطوال موجية مختلفة أو إنشاء حزم طاقة متعددة من فوتون واحد.
- زيادة نسبة تحويل الطاقة عن طريق إنشاء مادة لها فجوة طاقة أقل بالتالي يمكنها امتصاص المزيد من الفوتونات من طيف أشعة الشمس أو إنشاء خلية ترادفية يمكنها استخدام مواد مختلفة لامتصاص أطوال موجية مختلفة للضوء.
- زيادة الكفاءة من خلال تقليل خسائر إعادة الارتباط عن طريق إنشاء آلية أفضل لفصل الشحنات أو نقلها، أو إنشاء طلاء ينظف نفسه أو منع الانعكاس على سطح الخلية.
المواد النانوية المستخدمة أو التي يتم تطويرها لتستخدم في الخلايا الكهروضوئية:
- الجسيمات النانوية
- الأذرع النانوية
- الأنابيب النانوية
- الألياف النانوية
هذه هي بعض الطرق التي يمكن أن تساهم بها تقنية النانو في تحسين كفاءة تحويل الطاقة الشمسية وتطوير أنظمة طاقة شمسية أكثر كفاءة واستدامة. كما يتم حالياً إجراء العديد من الأبحاث في هذا المجال لاستكشاف المزيد من الاستخدامات الواعدة لتقنية النانو في الطاقة الشمسية.
أنظمة الطاقة الشمسية المركزة
أنظمة الطاقة الشمسية المركزة هي عبارة عن أجهزة تقوم بالتقاط الإشعاع الشمسي وتركيزه في مساحة أو حجم أصغر باستخدام مجمع حراري شمسي أو المرايا أو العدسات أو العناصر البصرية الأخرى.
1 المجمع الشمسي الحراري
المجمع الشمسي الحراري هو جهاز يقوم بتخزين الطاقة الشمسية على شكل حرارة يمكن استخدامها في تطبيقات مختلفة، مثل تسخين المياه والتدفئة والتبريد أو توليد الطاقة. وتعتمد كفاءة المجمع الشمسي على عدة عوامل مثل: قدرة الامتصاص وقدرة الإشعاع لسطح المجمع وآلية نقل الحرارة وتخزينها والخسائر الحرارية ودرجة حرارة تشغيل المجمع.
يمكن لتقنية النانو أن تساعد في تحسين هذه العوامل عن طريق استخدام المواد النانومترية والهياكل النانوية التي يمكن أن تقوم بما يلي:
- زيادة القدرة على الامتصاص وتقليل قدرة على الانعكاس لسطح المجمع من خلال إنشاء طلاء محدد يمكنه امتصاص المزيد من الإشعاع الشمسي وعكس نسب أقل من الأشعة تحت الحمراء.
- زيادة قدرة نقل الحرارة وتخزينها عن طريق إنشاء سائل نانوي يمكنه تعزيز الموصلية الحرارية وزيادة السعة الحرارية أو إجراء تغيير على طبيعة المادة ليمكنها تخزين المزيد من الحرارة الكامنة أثناء التغيرات التي تحدث للسائل نتيجة تعرضه للحرارة.
- تقليل الخسائر الحرارية عن طريق إنشاء عزل فراغي أو هوائي يمكنه تقليل الخسائر الناجمة عن الموصلية والحمل الحراري أو إنشاء نظام ضوئي حراري يمكنه تحويل الحرارة الناتجة إلى كهرباء.
الأمثلة على المواد النانوية والهياكل النانوية التي تستخدم حالياً أو يتم تطويرها لتستخدم في المجمعات الحرارية الشمسية:
- الجسيمات النانومترية
- الأعمدة النانوية
- الأنابيب النانوية
- الزهور النانوية
2 المجمع الشمسي باستخدام المرايا والعاكسات
في هذه الطريقة يتم تركيز الاشعاع الشمسي باستخدام المعدات البصرية مثل العدسات والمرايا، ويستخدم الإشعاع الشمسي المركز فيما بعد في تطبيقات مختلفة مثل توليد الطاقة وتحلية المياه أو العلاج الطبي وتتميز هذه الأنظمة بالكفاءة العالية والتكلفة القليلة، لكن تعتمد كفاءتها على عدة عوامل مثل نسبة التركيز والفاقد الناتج عن استخدام المعدات البصرية وآلية التتبع وتصميم المُستقبِل.
يمكن لتقنية النانو أن تساعد في تحسن هذه العوامل من خلال استخدام المواد والتراكيب النانوية من خلال:
- زيادة نسبة التركيز عن طريق إنشاء سطح نانوي هيكلي يمكنه تشتيت الضوء في زوايا أو طول موجة مختلفة، أو بإنشاء مادة مضيئة تستطيع تحويل الضوء إلى أطوال موجية مختلفة.
- تقليل الخسائر البصرية عن طريق إنشاء طبقة ذاتية التنظيف أو مانعة للانعكاس على سطح المركز أو بإنشاء شبه مادة وظيفتها أن تقلل آثار التشتت.
- تحسين آلية التتبع عن طريق إنشاء مادة ذكية تستطيع تغيير شكلها أو اتجاهها استجابةً للمؤثرات الخارجية مثل الضوء أو درجة الحرارة أو المجال الكهربائي.
- تحسين تصميم جهاز الاستقبال عن طريق إنشاء نظام طاقة حرارية كهروضوئية
أمثلة على المواد النانوية والهياكل النانوية التي يمكن استخدامها في مراكز الشمس:
- العدسات النانوية
- المرايا النانوية
- المستقبلات النانوية
تعد تقنية النانو علماً ونهجاً واعداً يمكن أن يساعد في تحسين أداء وكفاءة أنظمة الطاقة الشمسية عن طريق تعزيز كلاً من امتصاص الضوء وتحويل الطاقة وتحسين كفاءة أجهزة الأنظمة الشمسية. ويمكن استخدام المواد والهياكل النانوية لإنشاء خلايا شمسية ومجمعات شمسية حرارية وأنظمة طاقة شمسية مركزة جديدة بالاستفادة الخصائص الفريدة للمادة بحجم النانو، يمكن لتقنية النانو أيضاً تمكين تطبيقات وحلول جديدة لتوليد الطاقة المتجددة وتخزينها واستخدامها.
في المقابل ما زال هناك بعض التحديات والمعيقات التي يجب إجراء المزيد من الدراسات والتطوير لحلها مثل تكلفة تقنية النانو وقدرتها على التوسع واستقرارها وتأثيرها على البيئة للتمكن من تحسين تصميم وتصنيع ودمج تقنية النانو في أنظمة الطاقة الشمسية واستكشاف الآثار الاقتصادية والاجتماعية والبيئية المترتبة عليها.
تابعونا على لينكيد إن Linked-in لمعرفة كل جديد عن الطاقة الشمسية..
نتمنى لكم يومًا مشمسًا..
المصادر: Nanowerk The Solar Labs IntechOpen
