موفقیت پژوهشگران در افزایش بازده ترکیب سلول‌های فتوولتاییک و باتری

توسط شهریور 20, 1399 اخبار فناوری

یکی از موضوعات مهم درمورد انرژی‌های تجدیدپذیر، ترکیب سلول‌های فتوولتاییک و باتری برای ذخیره انرژی است و پژوهشگران با سیستمی جدید، راندمان چنین سیستمی را افزایش داده‌اند.

کاهش قیمت باتری موجب می‌شود تلفیق باتری با سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر در دو زمینه ممکن شود. در مورد یک، باتری به‌عنوان مخزن کوتاه‌مدت انرژی برای حل مشکل نوسانات کوتاه‌مدت در خروجی انرژی تجدیدپذیر عمل می‌کند. در مورد دوم، باتری انرژی را برای زمانی‌که تولید انرژی تجدیدپذیر متوقف می‌شود مثلا درمورد انرژی خورشیدی در هنگام شب، ذخیره می‌کند. این رویکرد درمورد کاربردهای مستقل از شبکه، عملکرد بسیار خوبی دارد اما پیچیدگی‌هایی را به شکل سخت‌افزار اضافی برای تبدیل ولتاژ و جریان به سیستم اضافه می‌کند.

البته گزینه‌ی دیگری نیز وجود دارد، چیزی که سخت‌افزار سلول‌های فتوولتاییک و باتری‌ را در یک دستگاه یکپارچه واحد با هم ادغام می‌کند که می‌تواند ظرفیت ذخیره‌ی عظیمی داشته باشد. مشکل اصلی این رویکرد آن است که این دستگاه‌ها یا ناپایدار بوده یا راندمان بسیار پایینی دارند. اما گروهی بین‌المللی از پژوهشگران دستگاهی را ساخته‌اند که هم پایدار بوده و هم راندمانی قابل مقایسه با راندمان پنل‌های سیلیکونی دارد.

باتری‌های جریانی خورشیدی

پژوهشگران چگونه سلول‌های فتوولتاییک و باتری‌ها را با هم ادغام می‌کنند؟ در ساده‌ترین حالت، الکترودی را می‌سازید که انرژی را از سیستم فتوولتاییک به الکترود باتری ببرد. اگرچه ممکن است ساده به‌نظر برسد، اما این ادغام به هیچ عنوان ساده نیست. از این گذشته، الکترودهای باتری باید با شیمی باتری سازگار باشند، برای مثال برای باتری‌های لیتیوم‌یون الکترودها درنهایت یون‌ها را ذخیره می‌کنند و باید ساختاری داشته باشند که امکان چنین فرایندی را فراهم کند.

بنابراین، پژوهشگران از شیمی کاملا متفاوتی استفاده کردند. باتری‌های جریانی از دو محلول شیمیایی به‌عنوان کاتد و آند استفاده می‌کنند (این دو محلول که توسط یک غشا از هم جدا شده‌اند با تبادل یونی طی فرایند اکسایش-کاهش تغییر حالت داده و جریان الکتریکی تولید می‌کنند. محلول شیمیایی موجود در مخزن آنولیت، طی فرایند اکسایش، الکترون و یون مثبت تولید می‌کند. یون مثبت ازطریق غشاء به مخزن کاتولیت می‌رود و الکترون‌ها نیز با حرکت به سمت کاتولیت باعث ایجاد جریان الکتریکی می‌شوند. از طرف دیگر محلول موجود در مخزن کاتولیت با دریافت الکترون و یون مثبت دچار کاهش می‌شود. فرایند شارژ باتری جریانی نیز دقیقا برعکس چیزی است که توضیح داده شد.) باتری‌های جریانی دارای این مزیت هستند که کل ظرفیت ذخیره‌ی آن‌ها فقط به کل حجم محلولی که استفاده می‌کنید، بستگی دارد‌.

درحالی‌که شیمی‌های مختلفی در یک باتری جریانی قابل استفاده هستند، پژوهشگران با سیستم فتوولتاییک شروع کردند و از آن برای انتخاب نوع شیمی باتری استفاده کردند. آن‌ها دقیقا از سخت‌افزار آماده‌ی مصرف، استفاده نکردند. سیلیکون شامل آن می‌شد اما بخشی از سلول خورشیدی دولایه بود. در این آرایش، یک ماده‌ی فتوولتاییک، مجموعه‌ای از طول موج‌ها را جذب می‌کند که به‌وسیله‌ی لایه‌ی دوم جذب نمی‌شوند. درمقابل، لایه‌ی اول نسبت‌به طول موج‌هایی که توسط لایه‌ی دوم جذب می‌شود، گذرا است. این حالت به سلول اجازه می‌دهد تا طیف وسیع‌تری از طول موج‌ها را جذب کرده و راندمان کلی آن افزایش پیدا کند. برای دستگاه آن‌ها، لایه‌ی پایینی از جنس سیلیکون بود. روی آن، لایه‌ای از مواد فتوولتاییک پروسکایتی قرار داشت. پروسکایت‌ها مواد خورشیدی بالقوه نسل آینده هستند. مزیت آن‌ها این است که از مواد ارزان‌قمیت ساخته شده‌اند و به‌راحتی می‌توانند با تبخیر محلولی از پروسکایت ایجاد شوند. متاسفانه این مواد، مستعد پوسیدگی بوده که این امر موجب کم شدن عمر آن‌ها می‌شود. البته پژوهشگران این مطالعه سعی ندارند همه‌ی این مشکلات را حل کنند. آن‌ها به‌سادگی از یک آرایش فتوولتاییک پروسکایت روی سیلیکون استفاده می‌کنند و آن را به مدت زمان طولانی اجرا نمی‌کنند تا پوسیدگی شیمیایی رخ دهد.

کنار هم قرار دادن قطعات

موفقیت پژوهشگران در افزایش بازده ترکیب انرژی خورشیدی و باتری

راه‌حل‌های موجود انرژی خورشیدی+باتری شامل دو قطعه سخت‌افزار جداگانه است

ایده‌ی اصلی پژوهشگران آن بود که با این مواد فتوولتاییک آغاز کرده و شیمی باتری را با ویژگی‌های آن تطابق دهند. سلول‌های فتوولتاییک براساس شکاف باندی موادی که از آن ساخته شده‌اند، داری یک ولتاژ هستند (شکاف باندی: اختلاف ولتاژ میان حالت‌های عایق و رسانای الکترون‌های آن‌ها). باتری‌ها همچنین براساس اختلاف انرژی میان دو وضعیت شیمیایی که به آن‌ها نیرو می‌بخشد، دارای پتانسیلی هستند که با ولت اندازه‌گیری می‌شود. بنابر استدلال پژوهشگران، اگر این ولتاژها را با هم مطابقت دهید، سیستم بسیار کارآمدتری خواهید داشت. پژوهشگران با استفاده از داده‌های مربوط به سخت‌افزار فتوولتاییک خود توانستند نوعی شیمی باتری جریانی را با پتانسیلی شناسایی کنند که با ولتاژش مطابقت داشت (شیمی حقیقی شامل واکنش‌های میان دو مولکول آلی مختلف یعنی بیس-(تری متیل آمونیو) پروپیل ویولوژن و ۴-تری متیل آمونیوم- TEMPO است).

واکنش‌هایی که این مواد شیمیایی را بین دو حالت می‌برد، به‌اندازه‌ی کافی سریع هستند که در نبود کاتالیزور اتفاق افتند و این مسئله استفاده از الکترودها را ساده می‌کند. یکی دیگر از مشکلات باتری‌های جریانی آن است که مواد شمیایی آن‌ها تمایل دارند با بسیاری از مواد فتوولتاییک دیگر واکنش دهند که طول عمر این دستگاه‌ها را کاهش می‌دهد. بنابراین پژوهشگران، سیلیکون را با لایه‌ی نازکی از طلا پوشاندند که هم رسانا و هم بی‌اثر بود. بدیهی است اگر قرار باشد این محصول به تولید انبوه برسد، یک فلز بی‌اثر ارزان‌تر ترجیح داده می‌شود. سخت‌افزار حاصل می‌تواند در هر یک از این سه حالت کار کند: تأمین انرژی به‌عنوان یک سلول خورشیدی، استفاده از نور خورشید برای شارژ کردن به‌عنوان یک باتری، یا فراهم کردن انرژی به‌عنوان یک باتری.

بازده خورشیدی به الکتریسیته خروجی

سوابق گذشته درزمینه‌ی باتری جریانی خورشیدی، نشان‌دهنده‌ی بده‌بستان‌هایی است که این دستگاه با آن رو‌به‌رو بوده است. پژوهشگران از سنجه‌ای از بهره‌وری به‌نام بازده خورشیدی به الکتریسیته خروجی یا SOEE استفاده کردند. پربازده‌ترین دستگاه‌های جریانی خورشیدی دارای بازده ۱۴/۱ درصد بودند؛ اما به‌دلیل واکنش‌های میان باتری و مواد فتوولتاییک، طول عمر کمی داشتند. نمونه‌های پایدارتر که طول عمر آن‌ها بیش از ۲۰۰ ساعت بود، SOEE در محدوده‌ی ۵ تا ۶ درصد داشتند. مواد جدید دارای SOEE حدود ۲۱ درصد بودند (تقریبا به اندازه‌ی سلول‌های خورشیدی موجود در بازار) و عملکرد آن‌ها برای بیش از ۴۰۰ چرخه شارژ و تخلیه یعنی حداقل ۵۰۰ ساعت پایدار بود. در‌حالی‌که ممکن است این مواد درنهایت پوسیده شوند، هیچ نشانه‌ای از این اتفاق در طول مدت آزمایش دیده نشد. هر دو مورد پیشرفت‌های بسیار قابل‌توجهی هستند.

بدیهی است ازآن‌جایی که هم باتری‌ها و هم سلول‌های فتوولتاییک به‌طور بالقوه برای چندین دهه می‌توانند دوام داشته باشند، ۵۰۰ ساعت نباید به‌عنوان یک آزمایش قطعی درنظر گرفته شود، خصوصا برای دستگاهی که برای تولید برق مستقل از شبکه پیشنهاد می‌شود. اما اثبات این مسئله که تطابق ولتاژ باعث چنین افزایش کارآرایی می‌شود، باید پژوهشگران را ترغیب کند تا طیف وسیع‌تری از باتری و شیمی‌های فتوولتاییک را شناسایی کنند که دارای راندمان بهبودیافته هستند. پس از این مرحله، پژوهشگران می‌توانند در بین آن‌ها به‌دنبال پیکربندی پایدار بگردنند. اینکه آیا همه‌ی این‌ها با هزینه کم و تولید انبوه سازگار خواهد بود یا نه سوالی مهم است. اما در این مرحله از انقلاب انرژی‌های تجدیدپذیر، داشتن گزینه‌های بیشتر برای کاوش و بررسی اتفاق خوبی است.

منبع : www.zoomit.ir

مطالب مرتبط :