الهندسة والآليات > الطاقة
خلية شمسية أم بطارية قابلة للشحن
في الحقيفة هي أول بطارية شمسية في العالم تم تطويرها في جامعة أوهايو و التي تنتظر براءة الاختراع لكي يتم البدء بعملية التصنيع .
كتب الباحثون في صحيفة Nature Communications في 3 تشرين الأول 2014 بأنهم قد نجحوا بدمج بطارية مع خلية شمسية في جهاز هجين واحد .فكرة هذا الاختراع هي : لوحة شمسية على شكل شبكة تسمح بمرور الهواء إلى داخل البطارية بالإضافة إلى عملية خاصة لنقل الالكترونات بين الألواح الشمسية ومسرى البطارية . أما داخل هذا الجهاز فيقوم الضوء و الأوكسجين بتمكين تفاعلات كيميائية مختلفة تعمل على شحن البطارية ... إي باختصار تقوم الألواح الشمسية بالتقاط الضوء ومن ثم يتم تخزين الطاقة باستخدام بطارية رخيصة الثمن .
يقول البروفيسور في الكيمياء والكيمياء الحيوية في جامعة أوهايو Yiying Wu: إن هذا الجهاز سيساعد في تخفيض تكاليف الطاقات المتجددة، ويضيف لقد جمعنا بين وظيفتين في جهاز واحد وبذلك نكون قد قللنا من التكاليف بحوالي 25% .
المشكلة الاساسية في كفاءة استخدام الطاقة الشمسية هي أن 80% من الالكترونات التي تخرج من الخلية الشمسية فقط تذهب إلى البطارية؛ هذا الاختراع حل هذه المشكلة حيث أزال الفقد الحاصل بالكهرباء و الناتج عن إنتقال الالكترونات بين الخلية و البطارية الخارجية وذلك لأن الطاقة الضوئية تنتقل إلى الكترونات ضمن البطارية لذا يتم حفظ كامل الالكترونات تقريبا.
يأخذ هذا التصميم بعض الأفكار من بطارية قام بتطويرها البروفيسور Wu وطالب الدكتوراه Xiaodi Ren، و اللذان اخنرعا سابقا بطارية ذات كفاءة عالية تتغذى على الهواء ويتم تفريغها عن طريق تفاعل كيميائي بين البوتاسيوم والاوكسجين. سميت هذه البطارية بـ KAir Energy System،LLC. ولقد ربح هذا التصميم جائزة الطاقة النظيفة بقيمة 100000$ من وزارة الطاقة الأميركية 2014.
حسب Wu فإنه يمكن القول بأنها بطارية تتنفس فهي تُدخل الهواء عند التفريغ و تُخرجه عند الشحن .
في هذه الدراسة الجديدة أراد الباحثون ربط اللوح الشمسي مع بطارية مشابهة لِـ KAir. ولكن التحدي كان يكمن بأن الألواح الشمسية مصنوعة من مواد صلبة نصف ناقلة و تمنع الهواء من الدخول إلى البطارية .
صمم طالب الدكتوراه Mingzhe yu لوحة شمسية شبكية نفاذة مصنوعة من شاش التيتانيوم Titanium Gauze حيث قام بتنمية قضيان من اوكسيد التيتانيوم عموديا على خيوط نسيج مرن بحيث يمر الهواء بحرية من الشاش بينما يقوم التيتانيوم بالتقاط الضوء .
عادة يحتاج ربط الخلية الشمسية مع البطارية إلى 4 مساري، لكن الباحثين أوضحوا بإن تصميمهم الهجين يحتاج إلى 3 فقط .
تشكل اللوحة الشمسية الشبكية المسرى الأول، تحتها المسرى الثاني و هو عبارة عن صفيحة رقيقة من الكربون المسامي أما المسرى الثالث فهو صفيحة من الليثيوم . يوجد بين هذه المساري طبقات من محلول كهربائي لنقل الالكترونات ذهابا وإيابا .
طريقة عمل البطارية الشمسية:
الشحن :
يسخن الضوء شبكة الألواح الشمسية فتنتج الالكترونات، تشارك هذه الالكترونات داخل البطارية في عملية التحلل الكيميائي لبيروكسيد الليثيوم؛ والذي يتحلل إلى : أوكسجين ينطلق في الهواء و أيونات ليثيوم تُخَزن في البطارية على شكل معدن الليثيوم بعد إن ترتبط مع الالكترونات .
التفريغ :
تأخذ البطارية الأوكسجين كيميائياً من الهواء لإعادة تشكيل بيروكسيد الليثيوم.
ويقول الفريق بانه قد تم إضافة مادة اليوديد إلى المحلول الكهربائي والتي تعمل كمركَبة تنقل الالكترونات بين مسرى البطارية واللوحة الشمسية الشبكية. إن استخدام هذه المادة المضافة (اليوديد) تشكل ميزة لتحسين أداء وكفاءة البطارية .
تنتمي اللوحة الشمسية الشبكية المستخدمة إلى مايسمى الخلايا الشمسية ذات الصبغة الحساسة . حيث قام الباحثون باستخدام صباغ أحمر لضبط أطوال الأمواج الضوئية التي تلتقطها اللوحة .
في الاختبارات قام الباحثون بشحن وتفريغ البطارية بشكل متكرر . واستخدم طالب الدكتوراه Lu Ma الأشعة السينية و الطيف الضوئي لتحليل مدى تحمل مسرى البطارية كمؤشر لعمر البطارية .
في البدء تم استخدام مركب rutheniumكصباغ أحمر لكنهم لاحظوا إنه يُستهلك عند التقاط الضوء وأن البطارية تنفذ بعد 8 ساعات من الشحن والتفريغ وبالتالي عمرها كان قصيراً جداً . ومن ثم استخدموا نصف ناقل هو الهيماتيت أو أكسيد الحديد (الصدأ) ذو اللون الأحمر الداكن. يُمكن تغطية الشبكة بالصدأ من شحن البطارية بالضوء مع المحافظة على اللون الأحمر.
و بالاعتماد على الاختبارات الأولية يعقد البروفيسور Wu وفريقه بأن يمكن مقارنة عمر البطارية الجديدة بعمر البطاريات الموجودة حاليا في السوق .
تمول وزارة الطاقة الأميركية هذا المشروع الذي يستمر الباحثين فيه ليجدوا طرقا افضل لتحسين أداء البطارية .
المصادر:
مصادر الصور:
