پژوهشگران دانشگاه روچستر با تمرکز بر بهینهسازی مدیریت حرارتی در ژنراتورهای ترموالکتریک خورشیدی (STEGs)، روشی ابداع کردهاند که میتواند توان خروجی این فناوری را تا ۱۵ برابر افزایش دهد و آن را به گزینهای جدیتر برای تولید برق از انرژی خورشید تبدیل کند.
بهگزارش سرویس انرژی تکناک، ژنراتورهای ترموالکتریک خورشیدی (STEGs) بهعنوان رویکردی نوظهور برای تولید برق از انرژی خورشید مورد توجه قرار گرفتهاند. برخلاف پنلهای فوتوولتائیک متداول که تنها از تابش مستقیم نور استفاده میکنند، STEGها قادرند علاوه بر نور، از انرژی حرارتی نیز بهرهبرداری کنند. این سامانهها با ایجاد یک گرادیان دمایی میان دو سطح گرم و سرد و استفاده از مواد نیمههادی، از طریق اثر سیبک اقدام به تولید جریان الکتریکی میکنند.
با این حال، محدودیت اصلی این فناوری راندمان پایین آن بوده است؛ بهطوریکه بازده تبدیل در اغلب نمونهها کمتر از ۱ درصد گزارش شده، در حالی که پنلهای خورشیدی سیلیکونی به حدود ۲۰ درصد کارایی میرسند. این شکاف عملکردی، مانع از تجاریسازی گسترده ژنراتورهای ترموالکتریک خورشیدی شده است.
بیشتر بخوانید: خروج گسترده سرمایهگذاران چینی از صنعت انرژی پاک آمریکا
پژوهشگران موسسه اپتیک دانشگاه روچستر در مطالعهای منتشرشده در Light: Science and Applications رویکردی متفاوت برای ارتقای فناوری ژنراتورهای ترموالکتریک خورشیدی ارائه کردهاند. بر اساس این پژوهش، طراحی جدید آنها توانسته است تولید توان را تا ۱۵ برابر نسبت به نمونههای پیشین افزایش دهد، در حالی که تنها ۲۵ درصد به جرم کل سیستم افزوده شده است.
چونلی گو، استاد اپتیک و فیزیک و پژوهشگر ارشد در دانشگاه روچستر، تاکید کرده است که تمرکز سنتی بر بهبود مواد نیمههادی طی دهههای گذشته تنها به بهبودهای محدود منجر شده است. به گفته او، در این رویکرد جدید تمرکز از مواد به معماری حرارتی دستگاه منتقل شده است؛ بهگونهای که با بهینهسازی جذب و حبس حرارت در سمت داغ و ارتقای دفع حرارتی در سمت سرد، جهش قابلتوجهی در بازده ژنراتورهای ترموالکتریک خورشیدی حاصل شده است.
مرتبط: بزرگترین توربین بادی شناور جهان در چین راهاندازی شد
در بخش داغ، پژوهشگران با استفاده از پردازش لیزر فمتوثانیهای سطح تنگستن را به ساختاری موسوم به W-SSA (جاذب انتخابی خورشیدی) تبدیل کردهاند که بیش از ۸۰ درصد تابش خورشیدی را جذب کرده و همزمان میزان نشر فروسرخ را کاهش میدهد.
این سطح در یک محفظه پلیمری شبهگلخانهای قرار گرفته که اتلاف حرارت ناشی از همرفت را بیش از ۴۰ درصد کاهش میدهد. در بخش سرد نیز با اعمال همین تکنیک روی آلومینیوم، ساختاری میکرومهندسیشده موسوم به μ-dissipator ایجاد شده که عملکرد دفع حرارت را از طریق همرفت و تابش بهطور قابلتوجهی بهبود داده و کارایی گرمابر را تقریبا دو برابر کرده است. نتیجه این طراحی، افزایش اختلاف دمای دو سر ژنراتورهای ترموالکتریک خورشیدی و در نهایت ارتقای توان خروجی الکتریکی بوده است.
طبق نتایج گزارششده، این سامانه بهبودیافته قادر است LEDها را با کارایی بالاتری نسبت به فناوریهای موجود تغذیه کند. همچنین کاربردهای بالقوهای در شبکههای حسگر بیسیم، الکترونیک پوشیدنی، تجهیزات پزشکی و تامین انرژی در مناطق فاقد دسترسی پایدار به برق برای آن مطرح شده است.
اگرچه ژنراتورهای ترموالکتریک خورشیدی همچنان از نظر راندمان از سلولهای خورشیدی فوتوولتائیک عقبتر هستند، این پژوهش نشان میدهد که تمرکز بر مدیریت حرارتی بهجای بهینهسازی مواد نیمههادی میتواند مسیرهای جدیدی برای ارتقای عملکرد و توسعه نسل آینده فناوریهای انرژی خورشیدی ایجاد کند.
