نسیم گیلان - زومیت / دانشمندان با استفاده از فلز سیاه پردازش‌شده با لیزر توانستند کارایی ژنراتورهای حرارتی-الکتریکی خورشیدی را 15 برابر افزایش دهند.
برخلاف پنل‌های خورشیدی، ژنراتورهای حرارتی-الکتریکی خورشیدی توانایی آن را دارند که گرما را از هر منبعی به برق تبدیل کنند. با‌این‌حال راندمان پایین همواره سد راه توسعه این فناوری بوده است. اکنون گروهی از پژوهشگران با بهره‌گیری از فلز سیاه ساخته‌شده با لیزر موفق شده‌اند این محدودیت را بشکنند و کارایی این ژنراتورها را تا 15 برابر افزایش دهند.
بازار ![]()
پیشرفت جدید بر پایه نوعی فلز سیاه ویژه حاصل شده که درطول پنج سال گذشته با لیزر حکاکی شده است و اکنون پژوهشگران امیدوارند آن را در ژنراتورهای ترموالکتریک خورشیدی یا همان STEG به کار ببرند.
ژنراتور ترموالکتریک خورشیدی دستگاهی الکترونیکی در حالت جامد است که انرژی گرمایی را از راه اثر سیبک (seebeck effect) به برق تبدیل می‌کند. این پدیده هنگامی رخ می‌دهد که اختلاف دما میان مواد موجب جابه‌جایی ذرات باردار و ایجاد نیروی الکترومغناطیسی یا همان ولتاژ شود. این نوع ژنراتور از موادی نیمه‌رسانا ساخته می‌شود که میان یک بخش داغ و یک بخش سرد قرار می‌گیرند. زمانی که بخش داغ با خورشید یا منبع دیگری از گرما حرارت ببیند، حرکت الکترون‌ها در نیمه‌رسانا جریان الکتریکی ایجاد می‌کند.
از مشکلات مدل‌های موجود STEG آن است که کارایی بسیار پایینی دارند و کمتر از یک درصد از نور خورشید را به برق تبدیل می‌کنند. این در حالی است که پنل‌های خورشیدی فتوولتائیک که بر بام خانه‌ها دیده می‌شوند، حدود 20 درصد از نور دریافتی را به برق تبدیل می‌کنند.
پژوهشگران با استفاده از فلزاتی که به‌وسیله لیزر پردازش شدند و به دلیل ظاهر سیاه و تیره‌شان «فلز سیاه» نام گرفتند، توانستند راندمان انرژی یک ژنراتور حرارتی-الکتریکی خورشیدی را 15 برابر افزایش دهند.
پردازش با لیزر
آن‌طور که وب‌سایت لایوساینس شرح داده است، در روش جدید، پژوهشگران تنگستن را با پالس‌های بسیار سریع و دقیق لیزر بمباران کردند و شیارهایی میکروسکوپی روی سطح آن به‌وجود آوردند. این شیارهای نانومتری موجب شدند که تنگستن گرمای بیشتری جذب کند و مدت بیشتری آن را نگه دارد.
ژنراتورهای حرارتی-الکتریکی می‌توانند گرما را از هر منبعی به برق تبدیل کنند.
پالس‌های لیزری همچنین سطح فلز را سیاه‌رنگ کردند و توانایی آن را برای جذب حرارت بالا بردند. سپس پژوهشگران روی تنگستن سیاه لایه‌ای پلاستیکی قرار دادند تا «گلخانه‌ای کوچکی» بسازند که گرمای بیشتری در خود نگاه دارد.
دانشمندان برای بخش سرد ژنراتور، قطعه‌ای آلومینیوم معمولی را با پالس‌های لیزری پردازش کردند. شیارهای ریز ایجادشده در فلز موجب ایجاد «پخش‌کننده حرارت با ظرفیت بسیار بالا و ساختار میکروسکوپی» شد که به گفته تیم پژوهشی دو برابر کارآمدتر از گرمابرهای آلومینیومی مرسوم بود.
پژوهشگران برای آزمایش سیستم خود، از آن برای روشن کردن LED زیر نور خورشید شبیه‌سازی‌شده استفاده کردند. یک ژنراتور حرارتی-الکتریکی معمولی نمی‌تواند حتی در مقابل نوری 10 برابر قوی‌تر از خورشید واقعی LED را روشن کند. اما دستگاهی که هر دو سوی آن با فلز سیاه پردازش شده بود، توانست زیر نوری پنج برابر قوی‌تر از خورشید طبیعی، LED را با درخشش کامل روشن کند و این معادل افزایش 15 برابری توان خروجی بود.
دانشمندان با لیزر شیارهای میکروسکوپی روی تنگستن ایجاد کردند تا گرما بهتر جذب شود.
گرچه فناوری توصیف‌شده به زودی جایگزین مزارع خورشیدی نخواهد شد، پژوهشگران می‌گویند در آینده می‌تواند برای حسگرهای بی‌سیم کم‌مصرف در اینترنت اشیا یا ابزارهای پوشیدنی به کار رود یا به‌عنوان سامانه انرژی تجدیدپذیر خارج از شبکه در مناطق روستایی استفاده شود (سیستم تولید برقی که به شبکه سراسری برق وصل نیست و مستقل برق تولید و ذخیره می‌کند.).
چونلِی گو، استاد اپتیک و فیزیک و پژوهشگر ارشد آزمایشگاه انرژی لیزری دانشگاه راچستر و یکی از نویسندگان مطالعه می‌گوید: «ده‌ها سال است جامعه علمی بر بهبود مواد نیمه‌رسانا در ژنراتورهای حرارتی-الکتریکی خورشیدی تمرکز کرده و پیشرفت اندکی در راندمان کلی به دست آورده است. در این پژوهش ما حتی به سراغ مواد نیمه‌رسانا نرفتیم و تمرکز خود را بر بخش داغ و سرد دستگاه گذاشتیم. با جذب بهتر انرژی خورشید و نگه‌داشتن بیشتر گرما در بخش داغ و همچنین دفع مؤثرتر گرما در بخش سرد، توانستیم بهبودی شگفت‌انگیز در راندمان ایجاد کنیم.»
پژوهش در ژورنال Light: Science and Applications منتشر شده است.