این یک شب تابستانی است. در پشت بام یک ساختمان آرام، مجموعه ای از پنل ها اتاق های داخل را خنک میکنند و چراغ ها را روشن نگه میدارند، گرما را از بین میبرند و با استفاده از سردی آسمان برق تولید میکنند. آن سرما در هوای اطراف ساختمان نیست ، شب گرم است. در عوض، پانل ها بسیار فراتر از اتمسفر زمین می رسند تا از سرمای دور اعماق فضا استفاده کنند.
برداشت انرژی به این روش به نظر غیر ممکن است؟ مسلماً این فناوری هنوز به طور کامل در دسترس نیست. اما با استفاده مستقیم از نیروی تولید شده توسط جهان سرد، میتوان آب را خنک کرد تا ساختمان ها تا 5 درجه سانتیگراد در طول روز بدون برق خنک شوند و شب را بدون سیم یا باتری روشن کرد. همانطور که این فناوری بهبود مییابد، میبینیم که پنل های خورشیدی را فعال میکند که در شب و روز کار میکنند و حسگرهای راه دور را تامین میکنند.
از زمانی که اولین انسان ها یاد گرفتند که آتش را مهار کنند، مردم گرما را برای انجام خواسته های خود دستکاری کردند. امروزه هنر تبدیل گرمای حاصل از سوختن گاز، شکافت هسته ای، هسته زمین، خورشید و سایر منابع به انرژی مفید زیربنای زندگی مدرن است.
با انرژی زیادی که از گرما در دسترس است، منبع دیگری از انرژی را نادیده گرفته ایم: سرما. سردی اعماق فضا یک منبع ترمودینامیکی است و تا حد زیادی استفاده نشده است. بله، دور است، اما فاصله مانع استفاده از آن نمیشود، به ویژه وقتی فضای خالی وسیع کیهان را در نظر بگیریم – تقریباً 3 کلوین.
گروه spectrum در مقاله ای عنوان کردد : ما معمولاً از این سردی آگاه نیستیم، زیرا چیزهای اطرافمان، از جمله نور خورشید و تشعشعاتی که از جو به ما بازمیگردند، برای گرم کردن ما توطئه میکنند. اما حدود یک دهه پیش، گروه تحقیقاتی ما در استنفورد ماده ای طراحی کرد که در ارسال گرما به مخزن سرما بسیار کارآمد است و در عین حال از گرم شدن خورشید و محیط جلوگیری میکند. این ماده در واقع آنقدر کارآمد است که می تواند خود را زیر دمای محیط اطراف خود خنک کند، حتی زمانی که زیر نور مستقیم خورشید می نشیند.
بسیار جالب است. هنگامی که گرما می تواند به طور خود به خود از یک جسم روی زمین به جهان جاری شود، درست مانند آب که از زمین بالاتر به دریا جریان می یابد، به ما فرصتی می دهد تا انرژی مفیدی را در طول مسیر از آن برداشت کنیم.
در مورد آب متحرک، یک توربین انرژی موجود در جریان را برای تولید برق آبی جمع آوری می کند. در مورد جریان گرما از زمین به اعماق فضا، ما چند مفهوم امیدوارکننده را توسعه داده ایم، اگرچه هنوز در تلاش هستیم بهترین مکانیسم را کشف کنیم.
ترمودینامیک در زمین و در فضا
قبل از اینکه درباره آن ایده ها و نمونه های اولیه به شما بگوییم، باید نقش تشعشعات در حفظ تعادل انرژی زمین را درک کنید.
تابش یکی از سه مکانیسم انتقال حرارت است. دو مورد دیگر رسانش گرما و همرفت گرما هستند. اولین مورد از ارتعاش اتم ها در برابر یکدیگر به وجود می آید که معمولاً در یک جامد اتفاق می افتد. دومی ناشی از حرکت توده ای ذرات، مانند مولکول های گاز در هوا است. هم رسانایی و هم همرفت به محیطی نیاز دارند که گرما را از طریق آن جابجا کند. تابش به شکل امواج الکترومغناطیسی در حال حرکت، به چنین محیطی نیاز ندارد و می تواند مسافت طولانی را طی کند.
تابش خورشیدی را در نظر بگیرید که گرما را از خورشید به سطح زمین می برد. در یک روز آفتابی، با جذب نور خورشید، می توانید گرمای بدن خود را احساس کنید. اجسام مستقر در زمین نیز گرما ساطع می کنند: در یک شب صاف، بدن خود را خنک می کنید. بخشی از این سرمایش گرمایی است که به فضا تابش می کند.
در حالی که تشعشعات ورودی به یک پایه اصلی برای انرژی های تجدید پذیر در قالب انرژی خورشیدی تبدیل شده است، تابش خروجی تا حد زیادی برای تولید انرژی استفاده نشده باقی مانده است. این تشعشعات خروجی گرمای یک جسم روی زمین را به فضای بیرونی می فرستد، مخزنی با ظرفیت تقریباً نامحدود. حذف گرما از این طریق می تواند آن جسم را ده ها درجه پایین تر از دمای محیط اطراف خنک کند.
ما می توانیم از اختلاف دما با تبدیل آن به الکتریسیته از طریق تولید برق ترموالکتریک استفاده کنیم. اصل کار در پشت یک ژنراتور ترموالکتریک، اثر سیبک است، که توضیح می دهد که چگونه یک ماده در پاسخ به اختلاف دما در سراسر آن، اختلاف ولتاژ ایجاد می کند. ما می توانیم اثر Seebeck را در نیمه هادی ها با افزودن کنترل شده ناخالصی ها یا مواد ناخالص دستکاری کنیم.
به یاد بیاورید که ناخالصی ها می توانند نیمه هادی های میزبان خود را به نیمه هادی های نوع n با الکترون های دارای بار منفی متحرک یا نیمه هادی های نوع p با سوراخ های دارای بار مثبت متحرک تبدیل کنند.
در هر صورت، وقتی این نیمه هادی ها اختلاف دما را پل می کنند، الکترون ها یا حفره ها در نزدیکی انتهای سردتر جمع می شوند. بنابراین نوع n یک پتانسیل ولتاژ مثبت به سمت گرم ایجاد می کند، در حالی که نوع p یک پتانسیل ولتاژ منفی در همان جهت ایجاد می کند.
یک ژنراتور ترموالکتریک (TEG) متشکل از جفت نیمه هادی های متناوب از نوع n و p است که با هم زنجیر شده اند به طوری که ولتاژ حاصل از اختلاف دمای مثبت در نوع n به ولتاژ حاصل از اختلاف دمای منفی در نوع p اضافه می شود. . با اتصال یک TEG بین یک مخزن گرم و یک مخزن سرد، دیفرانسیل حرارتی به عنوان برق گرفته می شود.
با محیط اطراف به عنوان یک مخزن گرم، می توانیم از سرمای اعماق فضا برای ایجاد مخزن سرد استفاده کنیم.
برای انجام این کار، ما گرما را با استفاده از چیزی که ما آن را ساطع کننده می نامیم، به فضا می فرستیم که خود را تا دمای کمتری نسبت به محیط اطرافش خنک می کند. این پدیده ای است که به عنوان خنک کننده تابشی شناخته می شود. سپس، یک ژنراتور ترموالکتریک واقع بین ساطع کننده سرد و محیط اطراف که اکنون گرمتر است، می تواند برق تولید کند.
وظیفه تابشگر این است که گرما را به خارج از جو زمین بتاباند. اما اتمسفر فقط برای فوتون هایی با طول موج های مشخص شفاف است. در محدوده مادون قرمز میانی، جایی که تشعشع گرمایی از اجسام معمولی به زمین متمرکز می شود، قابل استفاده ترین باند انتقال اتمسفر در محدوده طول موج 8 تا 13 میکرومتر است.
حتی برخی از ساطع کننده های ساده تابش گرمایی را در این طول موج ها ارسال می کنند. به عنوان مثال، اگر از محیط اطراف عایق باشد، رنگ سیاه آنقدر تشعشع را در آن باند ساطع می کند تا در هنگام قرار گرفتن در معرض آسمان شب، سطح را تا 10 درجه سانتیگراد خنک کند.
در محدوده طول موج خارج از 8 تا 13 میلی متر، اتمسفر مقدار قابل توجهی از تابش را به عقب باز می گرداند. در طول روز، تابش خورشید وارد معادله می شود. هدف طراحی های پیشرفته تر ساطع کننده، جلوگیری از تشعشعات ورودی از جو و نور خورشید با اطمینان از جذب و انتشار آنها فقط در پنجره شفاف است. ایده استفاده از چنین تابشگر انتخابی با طول موج برای خنک سازی تابشی به کار پیشگام Claes-Göran Granqvist و همکارانش در دهه 1980 برمی گردد.
همانطور که یک مهندس یک آنتن رادیویی را با شکل و اندازه خاصی طراحی می کند تا از یک طول موج مشخص در جهت خاصی ارسال کند، ما می توانیم یک امیتر را با استفاده از کتابخانه ای از مواد، هر یک با شکل و اندازه خاص، طراحی کنیم تا باند طول موج را تنظیم کنیم. جهت تابش گرما هرچه این کار را بهتر انجام دهیم، قطره چکان گرمای بیشتری به فضا پرتاب می کند و قطره چکان سردتر می شود.
شیشه یک ماده عالی برای یک قطره چکان است. ارتعاشات اتمی آن به شدت با تشعشعات حول طول موج 10 میکرومتر جفت می شود و ماده را وادار می کند تا بیشتر تابش گرمایی خود را در پنجره انتقال ساطع کند. فقط کافی است یک پنجره شیشه ای را در شب لمس کنید و این خنکی را احساس خواهید کرد. افزودن یک لایه فلزی برای کمک به انعکاس تابش به سمت آسمان، انتشار و خنککننده را حتی موثرتر میکند. و سازه ها می توانند به طور خاص طراحی شوند تا به شدت طول موج های نور خورشید را منعکس کنند.
یک دهه پیش، گروه تحقیقاتی ما اولین ماده خنک کننده تابشی را ایجاد کرد که در طول روز کار می کند و به طور موثری خود را زیر دمای هوای محیط حتی در نور مستقیم خورشید خنک می کند. این از لایه های نازک متناوب اکسید هافنیوم (HfO2) و شیشهای که در بالای یک لایه بازتابنده نقره قرار دارد، ساخته شده است.
با انتخاب دقیق ضخامت هر لایه از فیلم، ما توانستیم این ماده را تقریباً به طور کامل تابش خورشید را منعکس کنیم و همزمان گرما را از طریق پنجره انتقال اتمسفر به بیرون ارسال کنیم.
از آن زمان، بسیاری از گروه های تحقیقاتی دیگر طرح های مختلفی را برای خنک کننده تابشی در طول روز نشان داده اند. یک گروه از محققان دانشگاه کلرادو، بولدر، با تعبیه یک لایه پلیمری با مهره های شیشه ای میکروسکوپی و پوشاندن پشت آن با یک لایه نازک نقره، یک قطره چکان طراحی کردند. دانه های شیشه ای تابش گرما را از پلیمر به بیرون می فرستند در حالی که پوشش نقره ای نور خورشید ورودی را منعکس می کند.
در مورد مواد خود، ما قبلاً یک کاربرد تجاری کرده ایم: سازه های خنک کننده بدون استفاده از برق، در نتیجه نیاز به تهویه مطبوع ساختمان را کاهش داده یا حذف می کنیم.
SkyCool Systems، فرعی از گروه تحقیقاتی ما، پانل های خنک کننده غیرفعال را می فروشد که می توانند به عنوان یک سیستم خنک کننده مستقل یا به عنوان افزودنی برای سیستم های تهویه مطبوع و تبرید موجود استفاده شوند. تاکنون، SkyCool پانل هایی را در تعدادی از فروشگاه های مواد غذایی در سراسر ایالات متحده نصب کرده است.
برداشت سرما، برداشت انرژی
برداشت انرژی با استفاده از سرمای کیهان هنوز در دست توسعه است. به عنوان اولین اثبات مفهومی ما، یک قطره چکان ساده با استفاده از رنگ سیاه روی صفحه آلومینیومی ساختیم. ما قطره چکان را در یک جعبه فوم با پوششی از فیلم پلی اتیلن شفاف قرار دادیم. این اجازه می دهد تا تابشگر بتواند گرما را به فضا بتاباند و در عین حال آن را در برابر گرمای محیط عایق بندی کند.
سپس یک سوراخ کوچک در پایین جعبه فوم بریدیم و یک ژنراتور ترموالکتریک خارج از قفسه را به قطره چکان وصل کردیم (که به خاطر میآورید به عنوان یک سینک سرد نیز عمل میکند). برای قسمت داغ ژنراتور خود، یک هیت سینک را وصل کردیم که به طور غیر فعال گرما را از محیط اطراف جمع آوری می کرد.
برای جلوگیری از مواجهه با نور خورشید، ما این مجموعه را در شب در پشت بام ساختمان مهندسی برق دیوید پاکارد در استنفورد آزمایش کردیم. 25 میلی وات برق در هر متر مربع از سطح قطره چکان ما تولید کرد و یک LED را روشن کرد.
سیستم ما شبیه یک پنل خورشیدی بود، بنابراین ما شروع به بررسی احتمالات ترکیب این دو فناوری برای دستگاهی کردیم که شب و روز برق تولید می کند. سلول های خورشیدی سیلیکونی تجاری معمولا دارای یک لایه محافظ بالایی از شیشه سیلیکا هستند که مقدار قابل توجهی از تابش گرما را در فرکانس های مورد نیاز برای عبور از جو منتقل می کند.
با استفاده از آن شیشه به عنوان امیتر، با یک عایق مشابه به عنوان اولین نمایش ما و یک ژنراتور ترموالکتریک قرار داده شده بین شیشه و سلول خورشیدی، ما 50 میلیوات بر متر مربع از تولید برق در شب را بدون وقفه در عملکرد روز فتوولتائیک نشان دادیم.
در حالی که جالب است، چگالی توان 50 mW/m2 کاربرد عملی کمی دارد. حتی یک فروشگاه مواد غذایی در حومه شهر – مثلاً حدود 4000 متر مربع – فقط 200 وات تولید می کند که تقریباً برای تأمین انرژی یک یخچال کوچک کافی است.
ما نیاز داشتیم که چگالی توان برداشتگر انرژی خود را افزایش دهیم تا آن را به گزینه ای جذاب برای تامین برق روشنایی و سایر وسایل الکترونیکی کم مصرف در شب تبدیل کنیم. بنابراین ما شروع به آزمایش تغییرات در تنظیمات خود در یک مدل شبیه سازی کردیم و چندین راه برای بهبود طراحی خود کشف کردیم.
نکته کلیدی بهینه سازی اندازه ژنراتور ترموالکتریک برای یک منطقه امیتر معین است. یک ژنراتور بزرگتر برای درجه معینی از اختلاف دمای بین امیتر و محیط اطراف، توان بیشتری تولید می کند، اما با اجازه دادن به جریان گرمای بیشتر بین این دو، اختلاف دمایی را که امیتر می تواند حفظ کند، کاهش می دهد. با درست کردن تعادل، تنها با استفاده از ساطع کننده رنگ سیاه، چگالی توان را دو برابر به بیش از 100 میلی وات بر متر مربع نشان دادیم.
عایق حرارتی قطره چکان از محیط اطراف خود برای رسیدن به دمای بسیار سرد نیز بسیار مهم است. بدیهی است که مواد عایق بسیار بهتری نسبت به موارد استفاده شده در نسخه ی نمایشی ما در دسترس هستند.
در نهایت، ساطع کننده های انتخابی طیفی تر، مانند طراحی مهره های شیشه ای و طرح چند لایه هافنیا که توضیح داده شد، تا دمای بسیار پایین تری نسبت به رنگ سیاه روی آلومینیوم خنک می شوند و بنابراین چگالی توان را افزایش می دهند.
با کنار هم قرار دادن همه این بهینه سازی ها، ما محاسبه کردیم که حداکثر چگالی توان قابل دستیابی برای این فناوری 2.2 W/m2 است. این چگالی توان بسیار کمتر از آن چیزی است که می توان با سلول های خورشیدی زیر نور خورشید تولید کرد.
با این حال، زمانی که نور خورشید به راحتی در دسترس نیست، این بسیار خوب است. در مقایسه با آنچه که می توان با بسیاری دیگر از طرح های برداشت انرژی محیطی به دست آورد، به طور قابل توجهی بالاتر است. برای مثال، قدری بیشتر از کمتر از 1 میلیوات بر متر مربع است که میتوان از امواج رادیویی محیط برداشت کرد.
رویکرد ما در اینجا به استفاده از امیتر برای ارسال تابش گرما به فضای سرد و عمل به عنوان یک مخزن سرد محلی بستگی دارد. این بدان معناست که ما باید قطره چکان را عایق بندی کنیم تا از نفوذ مداوم گرما برای حفظ اختلاف دما جلوگیری کنیم.
اما اگر برای تولید الکتریسیته به آن اختلاف دمای محلی نیاز نداشته باشیم، چه؟ برای پاسخ به این سوال، ما به فتوولتائیک های خورشیدی نگاه کردیم تا مشخص کنیم آیا آنالوگ سرد وجود دارد که به جای نور خورشید با فضای عمیق کار می کند.
سلول خورشیدی منفی
در برداشت انرژی خورشیدی، یک سلول فتوولتائیک به لطف آنچه در داخل یک نیمه هادی هنگام جذب نور اتفاق می افتد، مستقیماً از تابش خورشید برق تولید می کند. به یاد بیاورید که الکترون ها و حفره ها – حامل های بار در یک نیمه رسانا – معمولاً در یک نیمه رسانای بدون دود، در نتیجه تحریک حرارتی در دمای اتاق، به مقدار کمی وجود دارند.
اما اگر نیمه هادی را با فوتون هایی با انرژی بیشتر از فاصله باند نیمه هادی بمباران کنید، می توانید الکترون ها و حفره های بیشتری تولید کنید.
برای جدا کردن الکترون ها و حفره های فتوتولید شده، کنتاکت های انتخابی – آنهایی که فقط به یک نوع حامل بار اجازه عبور میدهند – به دو طرف نیمه رسانا متصل میشوند. یک راه معمول برای انجام این کار این است که یک طرف نیمه هادی را به گونه ای دوپ کنیم که از نوع p باشد، که به سوراخ ها اجازه عبور و بلوک الکترون ها را می دهد، و طرف دیگر به گونه ای که از نوع n باشد، که اجازه عبور الکترون ها را می دهد و سوراخ ها را مسدود می کند.
نتیجه تجمع حفره ها در سمت p و الکترون ها در سمت n است که به سمت p ولتاژ مثبتی نسبت به سمت n می دهد. هنگامی که یک بار متصل می شود، الکترون ها از سمت n جریان می یابند.
این تصویر آشنا از عملکرد فتوولتائیک، یک سلول فتوولتائیک نسبتاً سرد را بر روی زمین فرض میکند که در تابش درخشانی که از جسم بسیار داغتری مانند خورشید میآید غرق شده است.
آنالوگ سرد یک سلول فتوولتائیک روی زمین است که رو به فضای خالی است. در اینجا، زمین در مقایسه با فضا داغ است و تفاوت دما به این معنی است که سلول فتوولتائیک متصل به زمین، تشعشع خالصی را به فضا منتشر می کند.
در چنین حالتی، الکترون ها و حفره های نیمه رسانا فوتون ها را دوباره ترکیب میکنند و تابش میکنند و فرآیند جذب نور را معکوس میکنند. این نوع ترکیب جمعیت الکترون ها و حفره ها را می خورد و حفره ها را از سمت p و الکترون ها را از سمت n دور می کند. بدون تشعشع ورودی برای متعادل کردن نوترکیبی تشعشعی، تخلیه بارها در هر دو انتها باعث ایجاد ولتاژ منفی در سمت p نسبت به سمت n می شود.
یک بار را به هم وصل کنید و الکترون ها از سمت p جریان می یابند. قطبیت ولتاژ برعکس سناریویی است که در آن یک سلول فتوولتائیک سرد، تابش خورشید داغ را جذب میکند – اما همچنان الکتریسیته است. این پدیده که یک سلول خورشیدی هنگام مواجهه با یک جسم سرد انرژی تولید می کند، تعجب آور نیست. آن را در حد شناخته شده شاکلی-کویسر، که حداکثر بازده نظری یک سلول خورشیدی را توضیح می دهد، اشاره دارد.
اخیراً، گروه تحقیقاتی ما و دیگران امکان استفاده از چنین وسیله ای را برای برداشت الکتریسیته از تشعشعات گرمایی که زمین به جهان میفرستد مورد مطالعه قرار دادند. ما این نور “منفی” را به دلیل انتشار خالص تشعشع آن می نامیم تا آن را از روشنایی “مثبت” که در یک سلول خورشیدی رخ می دهد متمایز کنیم. برخی دیگر آن را برداشت انرژی حرارتی می نامند.
برای اینکه نور منفی برای برداشت انرژی روی زمین کار کند، نیاز است که سلول فتوولتائیک تشعشعاتی را در طول موج در پنجره انتقال اتمسفر منتشر کند. در این پنجره، الکترون ها و حفره ها میتوانند به تابش خروجی دوباره ترکیب شوند.
در خارج از پنجره، تابش برگشتی از جو فرآیند ایجاد ولتاژ منفی را از بین می برد. برای ضربه زدن به آن پنجره انتقال، ما باید سلول فتوولتائیک را از یک نیمه هادی با فاصله باند کوچک (حدود 0.09 الکترون ولت) ایجاد کنیم که مطابق با لبه پنجره انتقال در طول موج 13 میکرومتر است.
این در واقع ممکن است، اگرچه با سیلیکون نیست. در اولین آزمایش آزمایشگاهی خود، از یک سلول فتوولتائیک تلورید کادمیوم جیوه (MCT) با فاصله باند حدود 0.1 eV استفاده کردیم. ما اثر روشنایی منفی را با نشان دادن سلول MCT در یک سطح کنترل شده با دما تأیید کردیم.
این تنظیمات به ما اجازه میدهد تا سطح را گرم کنیم تا تشعشع بیشتری ساطع کنیم (به سلول MCT ما اجازه میدهد تحت نور مثبت کار کند) و سپس سطح را خنک کنیم و به سلول MCT اجازه میدهیم تا به نور منفی تبدیل شود. با تغییر دمای سطح، ما توانستیم انتقال بین نور مثبت و روشنایی منفی را از تغییر متناظر در ولتاژ خروجی سلول مشاهده کنیم.
سپس سلول MCT خود را از آزمایشگاه بیرون آوردیم و آن را به سمت آسمان شب گرفتیم تا اثر را با استفاده از جهان سرد آزمایش کنیم. ما الکتریسیته تولید کردیم، اما با چگالی توان تنها 64 نانووات بر متر مربع، که بسیار کمتر از روش مبتنی بر امیتر ما است.
یکی دو چیز مقصر بود. اولاً، فاصله باند سلول MCT برای قرار گرفتن در پنجره انتقال ایده آل کمی بیش از حد زیاد است. دوم، نیمه هادی های باند گپ کوچک به شدت از فرآیندهای غیر تشعشعی رنج می برند، یعنی نوترکیبی های الکترون-حفره ای که تشعشع ساطع نمی کنند. در مجموع، اینها قدرتی را که سلول ما می توانست ارائه دهد کاهش داد.
سوق دادن فناوری به آینده
در یک دنیای تقریباً کامل، که در آن بهترین مواد را برای امیترها و سلول های فتوولتائیک نور منفی کشف کرده ایم و تمام مشکلات طراحی دیگر خود را حل کرده ایم، محاسبه میکنیم که حداکثر چگالی توان برای سیستم امیتر ترموالکتریک و رویکردهای نور منفی حدود 5 وات بر متر مربع است.
این مقدار تقریباً یک سی ام چیزی است که سلولهای خورشیدی تجاری در اوج نور خورشید ارائه میکنند یا تقریباً همان چیزی است که یک سلول خورشیدی در یک دفتر با نور روشن تولید میکند.
در یک سناریوی واقعی تر، ما فکر می کنیم که می توانیم به چگالی توانی در حد 1 وات بر متر مربع برسیم. این ممکن است زیاد به نظر نرسد، اما برای روشن کردن نور LED و سنسورهای کیفیت هوا و شارژ باتری گوشی های هوشمند کافی است.
در دراز مدت، تصور زندگی در یک کابین دور، خارج از شبکه، بدون باتری، با استفاده از تشعشعات ورودی و خروجی از دورتر از جو زمین برای گرم کردن، خنک کردن و تولید برق در روز و شب، شاید غیرمنطقی نباشد.
دیدگاهتان را بنویسید