ابداع یک پنل خورشیدی برای تولید برق در شب توسط مهندسان استنفورد

 آسمان شب بدون ابر به معنی تولید برق

آسمان بالای استانفورد، کالیفرنیا، برای چندین شب در اکتبر گذشته به طور غیرعادی صاف بود. این خبر خوبی برای محقق Sid Assawaworrarit و همکارانش بود. او به IE می‌گوید این شرایط «احتمالاً بهترین در کل سال بود». آقای Assaworrarit یک ستاره‌شناس نیست که از اینکه ابرها مانع از حرکت نور ستاره‌ها در جو و رسیدن به آینه تلسکوپ او نشدند، ناراحت باشد. او که یک مهندس برق است. به دلیلی کاملاً متفاوت از شب‌های بدون ابر استقبال می‌کند: یک شب روشن به این معنی است که نور مادون قرمز از سطح صفحات خورشیدی می‌تواند آزادانه به فضا بتابد. و تولید برق کند.

این جریان انرژی، دستگاه Assaworrarit و همکارانش را قادر می‌سازد – یک پنل خورشیدی معمولی مجهز به ژنراتور ترموالکتریک – مقدار کمی الکتریسیته از تفاوت جزئی دما بین هوای محیط و سطح یک صفحه خورشیدی که در اعماق آن قرار دارد تولید کند.

در شب، پنل های خورشیدی میز را می چرخانند و فوتون ساطع می کنند

فناوری جدید از یک واقعیت شگفت انگیز در مورد پنل های خورشیدی بهره می برد.

آقای Assawaworrarit می گوید: «در طول روز، نوری از خورشید وارد می شود و به سلول خورشیدی برخورد می‌کند. اما در طول شب، چیزی معکوس اتفاق می افتد.» دلیلش این است که پنل‌های خورشیدی – مانند هر چیزی که گرمتر از صفر مطلق است – پرتوهای مادون قرمز ساطع می‌کنند. در واقع نوری [از پنل خورشیدی] خاموش می شود، و ما از آن برای تولید برق در شب استفاده می‌کنیم. فوتون‌هایی که به آسمان شب می روند در واقع سلول خورشیدی را خنک می‌کنند.

همانطور که فوتون‌ها از سطح صفحه خورشیدی به سمت آسمان خارج می شوند، گرما را با خود حمل می‌کنند. این بدان معناست که در یک شب صاف – زمانی که هیچ ابری برای بازتاب نور مادون قرمز به سمت زمین وجود ندارد. – سطح یک صفحه خورشیدی چند درجه سردتر از هوای اطراف آن خواهد بود. این تفاوت دما همان چیزی است که آقای Assawaworrarit و همکارانش از آن بهره می برند. دستگاهی به نام ژنراتور ترموالکتریک می‌تواند مقداری از گرمای جریان یافته از هوای گرمتر به پنل خورشیدی خنک تر را جذب کرده و آن را به الکتریسیته تبدیل کند.

در یک شب صاف، دستگاه Assawaworrarit که روی پشت بام استانفورد آزمایش شد، تقریباً پنجاه میلی وات برای هر متر مربع پنل خورشیدی (50 میلی‌وات بر متر مربع) تولید می‌کند.

تولید برق برای کسانی که دسترسی به شبکه ندارند

او می‌گوید: «من فکر می‌کنم این احتمالاً یک رکورد است. اما آقای Assawaworrarit و تیمش در اینجا متوقف نمی شوند. او می گوید که با چند بهبود (و در یک مکان خوب) چنین دستگاهی می تواند دو برابر این مقدار برق تولید کند. وی افزود: «محدودیت نظری احتمالاً حدود یک یا دو وات در هر متر مربع است. “این عدد زیادی نیست، اما کاربردهای زیادی وجود دارد که در آنها این نوع انرژی در شب مفید است.»

به عنوان مثال، بخش بزرگی از جمعیت جهان – تقریباً یک میلیارد نفر – به شبکه برق دسترسی ندارند. او می‌گوید افرادی که در آن موقعیت زندگی می‌کنند «می‌توانند در روز به انرژی خورشیدی تکیه کنند، اما در شب کار زیادی نمی‌توانند انجام دهند». او می‌گوید برخلاف باتری‌هایی که پس از چند هزار چرخه شارژ به طور قابل‌توجهی تحلیل می‌روند. نوع ژنراتورهای ترموالکتریکی که در این پنل‌های خورشیدی استفاده می‌شوند حالت جامد هستند، «بنابراین طول عمر تقریباً برای همیشه است».

یکی دیگر از کاربردهای خوب این فناوری، نیرو دادن به شبکه عظیم حسگرهای محیطی است که محققان از آن استفاده می کنند. تا همه چیز را از شرایط آب و هوایی گرفته تا گونه های مهاجم در گوشه‌های دوردست کره زمین بررسی کنند. باز هم، پنل های خورشیدی که مقدار کمی برق در شب تولید می کنند، می‌توانند نیاز به باتری ها و هزینه‌های تعمیر و نگهداری و جایگزینی آنها را کاهش دهند.

آقای Assawaworrarit می‌گوید: “اگر بتوانید تا یک وات در هر متر مربع دریافت کنید، از منظر هزینه بسیار جذاب خواهد بود.”

 این اختراع از منبع انرژی بهره می‌برد که به راحتی نادیده گرفته می‌شود

زمین دائماً انرژی فوق‌العاده‌ای از خورشید دریافت می‌کند که بالغ بر 173000 تراوات است. ابرها، ذرات موجود در جو و سطوح بازتابنده مانند کوه های پوشیده از برف بلافاصله 30 درصد از این انرژی را به فضا منعکس می‌کنند. بقیه آن به گرم شدن زمین، اقیانوس‌ها، ابرها، جو و هر چیز دیگری روی این سیاره ختم می‌شود.

اما این انرژی اینجا نمی ماند. به غیر از گرمای اضافی که گازهای گلخانه ای به محض اینکه انسان شروع به سوزاندن مقادیر زیادی از سوخت های فسیلی از زمان انقلاب صنعتی کرد، به دام انداخته است، زمین تقریباً به همان اندازه انرژی ارسال می کند که دریافت می کند. به همین دلیل است که این سیاره مقدار واقعی انرژی شگفت انگیزی را به عنوان تابش مادون قرمز ساطع می‌کند.

آقای Assawaworrarit می‌گوید: «این نوعی نور است. تابش مادون قرمزی که از زمین گرم (یا هر چیز دیگری) می‌درخشد، دارای طول موج‌هایی است که چشم‌ها نمی‌توانند ببینند، اما حامل انرژی هستند. در واقع بیش از نیمی از کل انرژی خورشیدی که به زمین برخورد می‌کند این فرآیند را طی می‌کند و در نهایت به فضا باز می‌گردد.

کاری که Assawaworrarit و همکارانش انجام داده‌اند، ابداع روشی جدید برای گرفتن انرژی در هنگام خروج از سیاره است. آنها اولین کسانی نیستند که از ژنراتور ترموالکتریک برای جذب این نوع انرژی استفاده می‌کنند. (IE یکی از اولین نوآوری های بزرگ را در این فضا در سال 2019 پوشش داد). محققان با ادغام این فناوری جدید با پنل های خورشیدی که در طول روز برق تولید می کنند، گام مهمی در جهت ایجاد امکان گرفتن این انرژی برای افراد عادی برای خود برداشته اند.

ایرانیان باستان اولین کسانی بودند که از پدیده خنک کننده تابشی استفاده کردند

دانشمندان مدرن اولین افرادی هستند که متوجه می شوند سطحی که به سمت آسمان بدون ابر شبانه قرار دارد می‌تواند سردتر از هوای اطراف آن باشد. این پدیده خنک کننده تابشی نامیده می شود. و احتمالاً خودتان آن را اول صبح دیده اید. پس از کاهش دما در اواسط یا پایین 30 درجه، اما نه کاملاً زیر صفر، در چمن بیشتر آشکار می شود.

آقای Assawaworrarit “حتی اگر دمای محیط چند درجه بالاتر از نقطه انجماد باشد، دمای برگ [علف] در واقع کمتر است.” “اگر چمن چند درجه کمتر از دمای محیط باشد، و محیط کمی بالاتر از انجماد باشد، در این صورت ممکن است چمن در واقع زیر نقطه انجماد باشد.”

این یک پدیده عجیب است که فقط زمانی اتفاق می افتد که آسمان صاف باشد. این به این دلیل است که ابرها با بازتاب نور مادون قرمز به سطح زمین، زمین را گرم می کنند. Assawaworrarit می گوید: “شما نمی‌توانید آن را ببینید زیرا در طول موجی اتفاق می افتد که انسان نمی تواند ببیند.”

دانشمندان مدرن نیز اولین افرادی نیستند که خنک کننده تابشی را به کار انداخته اند. در جنوب شرقی ایران بقایای ده‌ها خانه یخی به نام یخچال وجود دارد که ایرانیان باستان برای بهره‌برداری از این پدیده استفاده می‌کردند. زمانی که سازه ها به بهره برداری می رسید، مردم آب را در استخرهای کم عمق کنار خانه های یخی می ریختند. حتی اگر دمای هوا در بالای 30 یا پایین 40 باشد، آب یخ می‌زند. در صبح، مردم یخ را جمع آوری می کردند و آن را به یک سازه کندوی عسل در مجاورت منتقل می کردند که از مجموعه متفاوتی از تکنیک های خنک کننده غیرفعال استفاده می کرد تا یخ را در طول تابستان در زیر انجماد نگه دارد.

توسعه این فناوری چندین چالش مهندسی را به همراه دارد

درک فیزیک پشت این صفحات خورشیدی شبانه تنها بخشی از نبرد است. مهندسان سال‌ها تلاش کرده‌اند تا آنها را به اندازه‌ای کارآمد کنند که برای استفاده در دنیای واقعی ارزشمند باشند. آقای Assawaworrarit و همکارانش کار بر روی این مشکل را در طول پاندمی شروع کردند.

او می‌گوید: «ما در ابتدا خیلی گیر کردیم، زیرا تعداد عمیقی که در اوایل به دست آوردیم به چیزی نزدیک به آن چیزی که ما انتظار داشتیم نبود. پس از ماه‌ها بررسی اعداد و ارقام، اولین آزمایش تیم نشان داد که تکرارهای اولیه دستگاه حدود یک دهم میزان برق مورد انتظار آنها تولید می‌کند. معلوم شد که یک مشکل بزرگ سر راه آنها قرار گرفته است.

آقای Assawaworrarit می‌گوید: «یک سلول خورشیدی در واقع رسانای گرمایی خیلی خوبی نیست. “مشکل اینجاست.” مهندسان متوجه شدند که انرژی فراری از لبه‌های پنل خورشیدی کمک زیادی به انرژی خروجی سیستم نمی‌کند، زیرا انرژی حرارتی نمی‌تواند به راحتی از طریق خود سلول خورشیدی عبور کند. او می‌گوید: «با نگاه کردن به گذشته، به نظر واضح می‌آید. “اما در آن مرحله، واضح نبود.”

مهندسان این مشکل را با اتصال سلول خورشیدی به طور مستقیم به یک صفحه آلومینیومی برطرف کردند که انرژی را به مراتب کارآمدتر هدایت می کند.

برای خبرهای بیشتر اینجا را کلیک کنید.

منبع: Intersting Engineering