محرك حراري جديد صغير بدون أجزاء متحركة فقط حقق طاقة لا تصدق

خلية حرارية ضوئية (TPV) مركبة على المشتت الحراري. (فرانكل سعيد)

يأمل العلماء أن خلايا الفولتية الضوئية ذات الحالة الصلبة (TPV) التي لا تحتوي على أجزاء متحركة يمكن أن تحقق كفاءات أعلى في درجات حرارة أعلى عندما يتعلق الأمر بتحويل الحرارة إلى كهرباء - وتقود الطريق إلى شبكات الطاقة القائمة بالكامل على مصادر الطاقة المتجددة.

أفاد باحثون أن إحدى خلايا TPV سجلت الآن رقمًا قياسيًا عالميًا جديدًا بنسبة 40 بالمائة من الكفاءة. هذا أفضل من التوربينات البخارية المستخدمة تقليديًا لتحويل الحرارة إلى كهرباء ، والتي عادةً ما تصل إلى 35 في المائة بحد أقصى ولها حدود درجة حرارة أعلى أيضًا.

تقوم TPVs بتحويل الفوتونات عالية الطاقة من مصادر الحرارة البيضاء الساخنة إلى كهرباء. عند دمجها مع البطاريات الحرارية ، يمكنها التقاط الطاقة من الشمس والاحتفاظ بها مخزنة بعيدًا ، وإطلاق الكهرباء عند الحاجة.

'إحدى مزايا محولات الطاقة ذات الحالة الصلبة هي أنها يمكن أن تعمل في درجات حرارة أعلى مع تكاليف صيانة أقل لأنها لا تحتوي على أجزاء متحركة ،' يقول المهندس الميكانيكي Asegun Henry ، من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT).

'إنهم يجلسون هناك فقط ويقومون بتوليد الكهرباء بشكل موثوق.'

يمكن للخلية الحرارية الكهروضوئية المشاركة في عملية التحويل التي حطمت الرقم القياسي أن تولد الكهرباء من مصادر الحرارة عند درجات حرارة تتراوح من 1900 إلى 2400 درجة مئوية (3452 إلى 4352 درجة فهرنهايت). درجات الحرارة هذه شديدة الحرارة بحيث لا تعمل التوربينات البخارية التقليدية عليها ، بسبب الأجزاء المتحركة المعنية.

الآن كفاءة هذه الخلايا آخذة في الارتفاع أيضًا ، مما يجعلها أكثر قابلية للحياة. سجل الرقم القياسي السابق كفاءة بنسبة 32 في المائة ، في حين أن معظم خلايا TPV المصنعة حتى الآن تحوم حول معدل الكفاءة البالغ 20 في المائة.

تم قياس سجل الكفاءة باستخدام مستشعر تدفق الحرارة لقياس الحرارة التي تمتصها الخلية ، والتي يبلغ حجمها حوالي سنتيمتر مربع. تم استخدام لمبة ذات درجة حرارة عالية لتغيير كمية الحرارة التي تعرضت لها الخلية ، وكشف أنها في الواقع مناسبة لتركيبها في نظام أكبر.

'يمكننا الحصول على كفاءة عالية على نطاق واسع من درجات الحرارة ذات الصلة بالبطاريات الحرارية' يقول هنري .

يرجع تحسين الكفاءة بشكل أساسي إلى المواد المستخدمة ، والتي تحتوي على ما يُعرف باسم منخفض فجوة الفرقة - فجوة يجب أن تعبرها الإلكترونات لتوليد الكهرباء. هنا ، استخدم الباحثون مواد ذات فجوة نطاق أعلى ، بالإضافة إلى تقاطعات متعددة (أو طبقات مادية).

يتم استخدام ثلاث طبقات: سبيكة ذات فجوة نطاق عالية لالتقاط فوتونات عالية الطاقة لتحويلها إلى كهرباء ، وسبائك ذات فجوة نطاق منخفضة لالتقاط فوتونات منخفضة الطاقة تنزلق عبر الطبقة الأولى ، ومرآة ذهبية لعكس الفوتونات التي مرت بكل طريق العودة إلى مصدر الحرارة ، وبالتالي تقليل الحرارة الضائعة.

نظرًا لأن خلية TPV أثبتت الآن أنها عملية وموثوقة وفعالة ، يمكن للعلماء المضي قدمًا في العمل على توسيع نطاقها ودمجها مع عناصر أخرى لتشكيل نظام إنتاج كامل للطاقة - ونظام لا ينتج أي كربون أثناء في الاستخدام.

كانت الخلايا الحرارية الكهروضوئية هي الخطوة الرئيسية الأخيرة نحو إثبات أن البطاريات الحرارية هي مفهوم قابل للتطبيق ، يقول هنري . 'هذه خطوة حاسمة للغاية على طريق تكاثر الطاقة المتجددة والوصول إلى شبكة خالية من الكربون بالكامل.'

تم نشر البحث في طبيعة سجية .

من نحن

نشر حقائق تقارير مستقلة ومثبتة عن الصحة والفضاء والطبيعة والتكنولوجيا والبيئة.