فناوری الهام‌گرفته از کوانتوم گرما را به برق با استفاده از نور با کارایی ۶۰ درصد تبدیل می‌کند
باتری‌ها کامل نیستند، آن‌ها نواقصی دارند. برای مثال، آن‌ها از مواد معدنی کمیاب ساخته شده‌اند که اغلب از طریق روش‌های استخراج غیرپایدار به دست می‌آیند. وقتی دور ریخته می‌شوند، مواد شیمیایی مضر را در محیط رها می‌کنند و همچنین دارای طول عمر محدودی هستند.
وقتی به ذخیره انرژی می‌رسیم، با این که فعلاً به شدت بر باتری‌ها تکیه داریم، نیاز به یک راه‌حل بسیار سبزتر و پاک‌تر داریم. یکی از مسیرهای امیدوارکننده سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی حرارتی (TES) است که الکتریسیته را به انرژی حرارتی تبدیل می‌کند تا به صورت گرما ذخیره شود و بعداً به برق بازگردد.
TES به مواد ارزان‌قیمت نیاز دارند، طول عمر بسیار بیشتری نسبت به باتری‌ها دارند و برای سیستم‌های به اندازه شبکه راحت‌تر قابل توسعه هستند. آن‌ها می‌توانند شبکه‌های انرژی تجدیدپذیر را با ذخیره‌سازی توان اضافی خورشیدی یا بادی در زمانی که در دسترس است، تثبیت کنند و در زمان تقاضای اوج آن را عرضه کنند.
محققان دانشگاه رایس یک نشرگر حرارتی با کارایی بالا توسعه داده‌اند که می‌تواند به پیشرفت سیستم‌های TES عملی و مقیاس‌پذیر کمک کند. نشرگر حرارتی جزء کلیدی در TES است که گرما را جذب، داغ و به تابش الکترومغناطیسی تبدیل می‌کند که سپس توسط سلول فوتوولتائیک برای تولید برق گرفته می‌شود.
اهمیت یک نشرگر حرارتی خوب
طراحی‌های TES اغلب از سیستم ترموفوتوولتائیک (TPV) برای تبدیل حرارت به الکتریسیته استفاده می‌کنند.
"این سیستم‌ها دو جزء اصلی دارند ⎯ سلول‌های فوتوولتائیک (PV) که نور را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند و نشگرهای حرارتی که گرما را به نور تبدیل می‌کنند. هر دو این اجزاء باید خوب کار کنند تا سیستم کارآمد باشد" تیم دانشگاه رایس اشاره می‌کند.
تا کنون، دانشمندان عمدتاً روی بهبود تکنولوژی سلول PV متمرکز بوده‌اند. با این حال، مانع اصلی در تحقق سیستم‌های عملی TPV تلفات انرژی در طول تبدیل است. اینجاست که نشرگرهای حرارتی، تکنولوژی که نسبتاً کمتر توجهات به آن جلب شده است، وارد عمل می‌شوند.
یک نشرگر حرارتی کارآمد برای مینیمم کردن تلفات انرژی در حالی که از گرما به الکتریسیته تبدیل می‌شود، ضروری است. متأسفانه، طراحی‌های سنتی TPV تاکنون نتوانسته‌اند چنین دستگاهی را به کار گیرند.
"استفاده از روش‌های طراحی متعارف فضای طراحی نشرگرهای حرارتی را محدود می‌کند، و شما با یکی از دو سناریو به پایان می‌رسید: دستگاه‌های عملی با کارایی پایین یا نشرگرهای با کارایی بالا که سخت است وارد کاربردهای دنیای واقعی شوند" گوروراج نایک، یکی از نویسندگان مطالعه و استاد دانشگاه رایس، گفت.
با این نوآوری، "ما اساساً نشان دادیم که چگونه می‌توان بهترین کارایی ممکن را برای نشرگر با توجه به محدودیت‌های طراحی واقع‌گرایانه و عملی به دست آورد" سیرل ساموئل پرساد، نویسنده همکار مطالعه و دانشجوی ارشد در دانشگاه رایس، افزود.
یک نوآوری با تشدیدگرهای گفتگوینده
محققان دانشگاه رایس سیلندرهای نانو سیلیکونی متعدد را روی یک ورق فلزی از جنس تنگستن به ترتیب قرار دادند تا آشکارساز حرارتی را بسازند. وقتی این سیستم گرما دریافت می‌کند، فوتون‌ها آزاد می‌شوند. در همین زمان، نانو سیلندرها به عنوان تشدیدگرهایی عمل می‌کنند که برای جذب طول موج‌ها یا انرژی‌های خاص این فوتون‌ها طراحی شده‌اند.
آن‌ها به صورتی که به آن‌ها اجازه می‌دهد انتخاب و انتشار خاص فقط فوتون‌ها با انرژی مناسب "صحبت" می‌کنند. این فوتون‌ها سپس به سلول‌های فوتوولتائیک (PV) ارسال می‌شوند، جایی که می‌توانند به الکتریسیته تبدیل شوند.
"این انتشار انتخابی، که از بینش‌های فیزیک کوانتوم به دست آمده، حداکثر تبدیل انرژی را به دست آورده و امکان کارایی بالاتر از پیش از آن را فراهم می‌کند" نویسندگان مطالعه اشاره می‌کنند.
با استفاده از اثرات کوانتومی، تشدیدگرها قادر به کنترل فوتون‌های آزاد شده در سطح کوانتومی هستند و اطمینان می‌دهند که فقط "مفیدترین فوتون‌های" برای سلول فوتوولتائیک (PV) منتشر می‌شوند، که کارایی کلی سیستم را بهبود می‌بخشد.
نشرگر حرارتی الهام‌گرفته از کوانتوم آن‌ها کارایی چشمگیری از ۶۰ درصد نشان داد و محققان ادعا می‌کنند که می‌توانند با استفاده از مواد جدید این کارایی را بیشتر بهبود دهند.
"اگر روش ما بتواند منجر به افزایش کارایی از ۲٪ به ۵٪ در چنین سیستم‌هایی بشود، این یک تقویت قابل‌توجه برای مأموریت‌های که به تولید برق کارآمد در محیط‌های سخت متکی هستند، ارائه خواهد داد" نایک توضیح داد.
امیدواریم نشرگر حرارتی جدید مقیاس‌پذیری بالایی برای ذخیره‌سازی انرژی حرارتی فراهم کند و به پذیرش انرژی تجدیدپذیر در مقیاس بزرگ کمک کند.
مطالعه در مجله npj Nanophotonics منتشر شده است.
