يؤكد العلماء أن هذا المحرك الحراري الجديد الذي لا يحتوي على أجزاء متحركة فعالة مثل التوربينات البخارية. وقد صمم المهندسون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والمختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) محركاً حرارياً بدون أجزاء متحركة. تظهر عروضهم الجديدة أن هذا المحرك يحول الحرارة إلى كهرباء بكفاءة تزيد عن 40 بالمائة - أداء أفضل من التوربينات البخارية التقليدية.
المحرك الحراري عبارة عن خلية حرارية ضوئية (TPV)، على غرار الخلايا الكهروضوئية للوحة الشمسية، والتي تلتقط بشكل سلبي فوتونات عالية الطاقة من مصدر حرارة أبيض ساخن وتحولها إلى كهرباء. يمكن للمحرك الذي صممه الفريق توليد الكهرباء من مصدر حرارة تتراوح بين 1900 و2400 درجة مئوية أو ما يصل إلى حوالي 4300 درجة فهرنهايت.
يخطط الباحثون لدمج خلية TPV في بطارية حرارية على نطاق الشبكة. والهدف هو أن يمتص النظام الذي سوف يحصلون عليه من عملية الدمج الطاقة الزائدة من مصادر متجددة مثل الشمس، ويخزن تلك الطاقة في بنوك شديدة العزل من الغرافيت الساخن. عندما تكون هناك حاجة للطاقة كما هو الحال في الأيام الملبدة بالغيوم، تقوم خلايا TPV بتحويل الحرارة المخزنة إلى كهرباء وإرسال الطاقة إلى الشبكة.
باستخدام خلية TPV الجديدة، نجح الفريق الآن في عرض الأجزاء الرئيسية للنظام في تجارب منفصلة صغيرة الحجم. إنهم يعملون على دمج الأجزاء لإثبات وجود نظام يعمل بكامل طاقته. من هناك يأملون في توسيع نطاق النظام ليحل محل محطات الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري، وتمكين شبكة طاقة خالية من الكربون بالكامل، حيث يتم توفيرها بالكامل من خلال الطاقة المتجددة.
يقول أسيغون هينري أستاذ التطوير الوظيفي في معهد Robert N: كانت الخلايا الحرارية الكهروضوئية هي الخطوة الرئيسية الأخيرة نحو إثبات أن البطاريات الحرارية هي مفهوم قابل للتطبيق، وتعتبر هذه خطوة حاسمة للغاية على طريق توليد المزيد من الطاقة المتجددة والوصول إلى شبكة خالية من الكربون بالكامل.
نشر هينري ومعاونوه نتائجهم هذا الأسبوع في مجلة Nature. من بين المؤلفين المشاركين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا نذكر: ألينا لابوتين وكيفين سكولتي وإيفيلين وانغ أستاذة الهندسة في مؤسسة فورد ورئيس قسم الهندسة الميكانيكية، جنباً إلى جنب مع المتعاونين في معهد NREL في جامعة غولدن، كولورادو.
القفز فوق الفجوة
نعلم أن أكثر من 90 في المائة من كهرباء العالم تأتي من مصادر تولد الحرارة مثل الفحم والغاز الطبيعي والطاقة النووية والطاقة الشمسية المركزة. لمدة قرن من الزمان، كانت التوربينات البخارية هي المعيار الصناعي لتحويل مصادر الحرارة هذه إلى كهرباء.
في المتوسط تحول التوربينات البخارية بشكل موثوق حوالي 35 بالمائة من مصدر الحرارة إلى كهرباء، ويمثل حوالي 60 بالمائة أعلى كفاءة لأي محرك حراري حتى الآن. لكن الماكينة تعتمد على أجزاء متحركة محدودة بدرجة حرارة محددة. ستكون مصادر الحرارة الأعلى من 2000 درجة مئوية مثل نظام البطاريات الحرارية الذي اقترحه هينري شديدة الحرارة بالنسبة إلى التوربينات.
في السنوات الأخيرة نظر العلماء في بدائل الحالة الصلبة أي المحركات الحرارية التي لا تحتوي على أجزاء متحركة، والتي يمكن أن تعمل بكفاءة في درجات حرارة أعلى.
يقول هينري: تتمثل إحدى مزايا محولات الطاقة ذات الحالة الصلبة في أنها يمكن أن تعمل في درجات حرارة أعلى بتكاليف صيانة أقل، لأنها لا تحتوي على أجزاء متحركة تعيقها درجات الحرارة المرتفعة. إنها تجلس هناك فقط وتقوم بتوليد الكهرباء بشكل موثوق.
قدمت الخلايا الحرارية الفولتية الضوئية طريقاً استكشافياً واحداً نحو المحركات الحرارية ذات الحالة الصلبة. مثل الخلايا الشمسية، يمكن أن تصنع خلايا TPV من مواد شبه موصلة ذات فجوة نطاق معينة - الفجوة بين نطاق تكافؤ المادة ونطاق التوصيل الخاص بها. إذا امتصت المادة فوتوناً ذا طاقة عالية بما يكفي، فيمكنه ركل إلكترون عبر فجوة الحزمة، حيث يمكن للإلكترون بعد ذلك التوصيل، وبالتالي توليد الكهرباء – بحيث يتم القيام بذلك دون تحريك الدوارات أو الشفرات.
حتى الآن وصلت معظم خلايا TPV إلى كفاءات تبلغ حوالي 20 في المائة فقط، مع تسجيل بنسبة 32 في المائة، لأنها مصنوعة من مواد ذات فجوة نطاق منخفضة نسبياً، تقوم بتحويل فوتونات منخفضة الحرارة ومنخفضة الطاقة، وبالتالي تحويل الطاقة بكفاءة أقل.
اصطياد الضوء
في تصميم خلايا TPV الجديد سعى هينري وزملاؤه إلى التقاط فوتونات عالية الطاقة من مصدر حرارة عالي الحرارة، وبالتالي تحويل الطاقة بشكل أكثر كفاءة. تقوم خلية الفريق الجديدة بذلك باستخدام مواد ذات فجوة نطاق أعلى وتقاطعات متعددة أو عدد إضافي من طبقات مواد محددة، مقارنةً بتصميمات TPV الحالية.
يتم تصنيع الخلية من ثلاث مناطق رئيسية: سبيكة ذات فجوة نطاق عالية، والتي تقع فوق سبيكة ذات فجوة نطاق أقل قليلاً، وتحتها مباشرة طبقة من الذهب تشبه المرآة. تلتقط الطبقة الأولى فوتونات ذات طاقة عالية لمصدر حراري وتحولها إلى كهرباء، بينما يتم التقاط الفوتونات منخفضة الطاقة التي تمر عبر الطبقة الأولى في الثانية وتحويلها إلى جهد متولد إضافي. أي فوتونات تمر عبر هذه الطبقة الثانية تنعكس بعد ذلك بواسطة المرآة، عائدة إلى مصدر الحرارة، بدلاً من امتصاصها كحرارة ضائعة.
اختبر الفريق كفاءة الخلية عن طريق وضعها فوق مستشعر تدفق الحرارة - وهو جهاز يقيس مباشرةً الحرارة الممتصة من الخلية. قاموا بتعريض الخلية لمصباح عالي الحرارة وركزوا الضوء على الخلية. ثم قاموا بتغيير شدة المصباح، أو درجة الحرارة، ولاحظوا كيف تتغير كفاءة طاقة الخلية – ونقصد هنا مقدار الطاقة التي تنتجها مقارنة بالحرارة التي تمتصها - مع تغير درجة الحرارة. ووجدوا أنه على مدى 1900 إلى 2400 درجة مئوية حافظت خلية TPV الجديدة على كفاءة تبلغ حوالي 40 بالمائة.
يقول هينري: يمكننا الحصول على كفاءة عالية على نطاق واسع من درجات الحرارة ذات الصلة بالبطاريات الحرارية.
تبلغ مساحة الخلية في التجارب حوالي سنتيمتر مربع واحد فقط. أما بالنسبة إلى نظام البطاريات الحرارية على نطاق الشبكة، يتصور هينري أن خلايا TPV يجب أن تصل إلى حوالي 10000 قدم مربع (حوالي ربع ملعب كرة القدم) وستعمل في مستودعات يتم التحكم فيها بالمناخ لسحب الطاقة من البنوك الضخمة لمخزون الطاقة الشمسية. ويشير إلى وجود بنية تحتية لتصنيع الخلايا الكهروضوئية على نطاق واسع والتي يمكن أيضاً تكييفها لتصنيع خلايا TPV.
يقول هنري: هناك بالتأكيد صافٍ إيجابي ضخم هنا من حيث الاستدامة. إن هذه التكنولوجيا آمنة وحميدة بيئياً في دورة حياتها، ويمكن أن يكون لها تأثير هائل في الحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون عند إنتاج الكهرباء.
----