بهتر از برگ درخت

دانشمندان امپریال کالج لندن، با الهام گرفتن از برگ درختان، فناوری را اختراع کرده‌اند که انرژی خورشیدی را جذب می‌کند و در این فرآیند، آب شیرین می‌سازد. این طرح که با نام PV-leaf (برگ فتوولتائیک) شناخته می‌شود، از شیشه، سلول‌های فتوولتائیک، الیاف بامبو و سلول‌های هیدروژل تشکیل شده است که از ترکیب یک برگ واقعی تقلید می‌کنند.

این تیم پژوهشی در بریتانیا، مفهومی با عنوان «برگ فتوولتائیک» را توسعه داده‌اند که می‌تواند برق، آب و انرژی حرارتی را در یک دستگاه تولید کند. این سیستم که از یک برگ الهام گرفته شده است، بر اساس یک لایه تعرق بیومیمِتیک (BT) است که واحد PV تعبیه‌شده را خنک کرده و از گرمای اضافی سلول برای تولید آب و انرژی گرمایی استفاده می‌کند.

در این طرح، آب می‌تواند در سراسر سلول فتوولتائیک حرکت کند، در سراسر ساختار برگ مصنوعی پخش شود و از سطح آن تبخیر شده و سلول را خنک کند. در هوای گرم و آفتابی، پنل‌های خورشیدی می‌توانند تا دمای 65 درجه سانتی‌گراد یا بیشتر گرم شوند که این موضوع آسیب شدیدی به کارایی آنها می‌زند؛ زیرا گرمای افزایش‌یافته باعث می‌شود الکترون‌های موجود در مواد نیمه‌هادی با انرژی بیشتری حرکت کنند که به مقاومت بالاتر و کاهش خروجی الکتریکی منجر می‌شود.

دانشمندان به سادگی با تقلید از تعرق گیاه دریافتند که این برگ‌های مصنوعی می‌توانند بیش از 10 درصد برق بیشتری در مقایسه با پنل‌های خورشیدی معمولی تولید کنند.

چرا انرژی خورشیدی؟

بیشترین رشد و سرمایه‌گذاری جدید در فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر در سطح جهان، در بخش خورشیدی و به‌ویژه سیستم‌های فتوولتائیک (PV) تجربه شده است که در چند سال گذشته، میانگین رشد نزدیک به 24 درصد در سال را تجربه کرده‌اند.

ظرفیت جهانی PV در سال 2020 از 700 گیگاوات گذشت و تخمین زده می‌شود که در سال 2050 به 22 تراوات برسد- به عنوان بخشی از برنامه‌ها برای دستیابی به منبع تغذیه بدون کربن تا سال 2050.

سلول‌های فتوولتائیک معمولاً به بخشی از طیف خورشیدی حساس هستند و تنها 10 تا 25 درصد از انرژی خورشیدی برخوردی به پنل‌های PV تجاری به برق تبدیل می‌شود. بقیه انرژی خورشیدی غیرقابل استفاده از نظر الکتریکی، که بیش از 70 درصد انرژی تابشی را تشکیل می‌دهد، به عنوان گرمای اتلاف‌شده در سلول‌های PV پراکنده شده و به افزایش دمای آنها منجر می‌شود. در نتیجه، دمای سلول‌های فتوولتائیک می‌تواند در شرایط گرم و آفتابی از 65 درجه سانتیگراد فراتر رود که این موضوع موجب کاهش قابل توجهی از راندمان الکتریکی می‌شود. راندمان اکثر پنل‌های فتوولتائیک معمولی، 0 /4 تا 5 /6 درصد کاهش می‌یابد و سرعت پیری آنها به ازای هر 10 درجه سانتی‌گراد افزایش دما، دو برابر می‌شود. بنابراین، پتانسیل بالقوه و قابل توجه تولید برق اضافی بیش از 700 گیگاوات از تاسیسات موجود در سطح جهان، در حال حاضر به دلیل فقدان مدیریت حرارتی از بین رفته است و با ادامه رشد انفجاری ظرفیت PV جهانی، این تلفات بیشتر خواهد شد.

رویکردهای مدیریت حرارتی کم‌هزینه و با راندمان بالا برای پنل‌های خورشیدی در این زمینه از اهمیت زیادی برخوردار است، زیرا باعث افزایش تولید ده‌ها گیگاوات برق از تاسیسات فعلی PV جهانی، با پتانسیل کاهش تلفات صدها گیگاوات برق در تاسیسات آینده می‌شود.

طرح نوآورانه

دکتر گان هوانگ، پژوهشگر افتخاری در بخش مهندسی شیمی و یکی از نویسندگان مطالعه درباره «برگ فتوولتائیک»، گفت: «این طراحی نوآورانه دارای پتانسیل فوق‌العاده‌ای برای افزایش قابل توجه عملکرد پنل‌های خورشیدی است، در حالی که مقرون‌به‌صرفه و عملی بودن آن را نیز تضمین می‌کند.»

به گفته وی، برگ PV پتانسیل استفاده از گرمای بازیافتی و تولید حرارتی آب شیرین اضافی را به طور همزمان دارد. از آنجا که هر دو در یک جزء تولید خواهند شد، این امکان وجود دارد که برگ بتواند سالانه میلیاردها مترمکعب آب تولید کند. 

در حالی که این طرح هنوز در مراحل اولیه قرار دارد، تیم پژوهشی آن امید زیادی به اختراع جدید خود دارند. پروفسور کریستوس مارکیدِس، یکی از پژوهشگران این حوزه، افزود: «اجرای این طرح نوآورانه برگ‌مانند می‌تواند به سرعت بخشیدن به انتقال انرژی جهانی و در عین حال پرداختن به دو چالش مهم جهانی کمک کند: نیاز به افزایش انرژی و آب شیرین.»

این نخستین‌بار نیست که دانشمندان از گیاهان برای تولید انرژی الهام می‌گیرند. در ماه می، تیمی از دانشمندان دانشگاه کمبریج نوع دیگری از برگ مصنوعی را توسعه دادند که از نور خورشید برای تبدیل آب و دی‌اکسید کربن به اتانول و پروپانول استفاده می‌کند.

در اکتبر سال 2019 نیز تیمی از دانشمندان دانشگاه کمبریج یک برگ مصنوعی را مهندسی کردند که تنها با استفاده از نور خورشید، دی‌اکسید کربن و آب می‌تواند گازی تمیز به نام گاز سنتز ایجاد کند. سپس، در آگوست 2020، پژوهشگران همان موسسه «برگ‌های مصنوعی» شناور را با الهام از فتوسنتز برای تولید سوخت‌های پاک از نور خورشید و آب توسعه دادند. در آن زمان گزارش شد که این دستگاه‌ها به اندازه‌ای سبک بودند که بتوانند شناور شوند و جایگزینی پایدار برای سوخت‌های فسیلی، بدون اشغال فضایی روی زمین مانند صفحات خورشیدی سنتی ارائه کنند.

فناوری انقلابی PV-Leaf؛ افزایش کارایی همراه با برداشت آب

در مطالعه «برگ فتوولتائیک چندنسلی هیبریدی با راندمان بالا»، تیم پژوهشی این سیستم را به عنوان یک برگ فتوولتائیک ترکیبی چندنسلی بر اساس ساختار تعرق بیومیمِتیک ساخته‌شده از الیاف بامبو و سلول‌های هیدروژل انباشته توصیف کرد.

لایه تعرق بیومیمتیک (BT) با ضخامت یک میلی‌متر، آب را از یک مخزن آب جداگانه به یک سلول خورشیدی 10 سانتی‌متری در 10 سانتی‌متری که در بالای سازه قرار دارد، منتقل می‌کند. آبی که بر روی سلول جریان می‌یابد، می‌تواند دمای عملیاتی آن را کاهش و در نتیجه راندمان آن را افزایش دهد؛ از گرمای اضافی نیز برای تولید آب و انرژی حرارتی استفاده می‌شود. برگ فتوولتائیک فقط به وسیله یک لایه شیشه‌ای با ضخامت 7 /0 میلی‌متر محافظت می‌شود.

این ساختار از بسته‌های فیبر آب‌دوست آوندی استفاده می‌کند که به طور یکنواخت آب را از طریق برگ PV توزیع می‌کند. سلول‌های هیدروژل برای تقلید از بسته‌های عروقی و سلول‌های اسفنجی استفاده می‌شود. دانشمندان توضیح دادند: «در لایه BT، حدود 30 شاخه از دسته‌های الیاف بامبو به طور همگن تعبیه شده است و آب را در کل منطقه تحت پوشش لایه BT توزیع می‌کند.» لبه‌های شاخه‌های الیاف در کنار هم جمع شده و در آب خیس می‌شوند.

ساختار تعرق بیومیمتیک از مواد مقرون‌به‌صرفه، در دسترس و سازگار با محیط زیست ساخته شده است که به این سیستم‌ها اجازه می‌دهد به صورت انبوه تولید شوند و از نظر اقتصادی و زیست‌محیطی با فناوری‌های موجود رقابت کنند.

دانشمندان همچنین عملکرد این سیستم را در شرایط نور استاندارد اندازه‌گیری کردند و آن را با یک سلول فتوولتائیک مستقل مرجع که از طریق همرفت هوای طبیعی خنک می‌شد، مقایسه کردند. آنها متوجه شدند که برگ فتوولتائیک به دمای 2 /43 درجه سانتیگراد رسیده، در حالی که دمای سلول مرجع تا 8 /68 درجه سانتی‌گراد افزایش یافته بود. این دانشمندان بیان کردند: دمای مخزن آب بدون عایق نزدیک به دمای محیط است و تاثیر کمی بر عملکرد خنک‌کننده دارد.

در مقایسه با مطالعات قبلی در مورد خنک‌ کردن از طریق تعرق، سیستم برگ فتوولتائیک نیازی به پمپ، واحد کنترل و مواد متخلخل گران‌قیمت ندارد و قادر است سطح هدف را تا دمای بسیار پایین‌تری خنک کند که برای کاربردهای چندنسلی، همچنین کاربردهای مدیریت حرارتی برای سلول‌های فتوولتائیک مناسب است؛ با اشاره به اینکه این سیستم ممکن است بتواند از آب دریا به جای آب شیرین نیز بهره ببرد. این سیستم نه‌تنها آب تمیز و انرژی حرارتی بیشتری تولید می‌کند، بلکه بدون زحمت با تغییرات دمای محیط و شرایط خورشیدی سازگار می‌شود.

نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که برگ فتوولتائیک عملکرد تعرق بهتری در آب‌وهوای گرم و خشک دارد. پژوهشگران همچنین ادعا می‌کنند که این دستگاه ممکن است بتواند 1 /1 لیتر در ساعت در مترمربع، آب شیرین اضافی تحت تابش خورشیدی هزار وات بر مترمربع تولید کند. آنها همچنین می‌گویند این سیستم ممکن است از آب دریا نیز استفاده کند.

نکته قابل توجه این است که با افزایش دمای برگ فتوولتائیک، سرعت تعرق به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. این تعامل میان دمای هوا و نرخ تعرق، امکان کنترل موثر دمای برگ PV را فراهم کرده و به تثبیت این دما پس از یک دوره کوتاه کمک می‌کند. یادآوری این نکته جالب است که آزمایش‌ها در این مطالعه در یک محیط آزمایشگاهی بدون باد انجام شده و انتظار می‌رود دمای برگ فتوولتائیک به دلیل همرفت و تاثیر سرعت باد در محیط بیرون، کاهش بیشتری پیدا کند.

برگرفته از طبیعت

برگ گیاهان شامل ساختارهای مختلفی است که حرکت آب از ریشه به برگ‌ها را که از طریق فرآیند تعرق انجام می‌شود، تسهیل می‌کنند. در داخل گیاه، جریان آب مایع به وسیله نیروهای مویرگی و فشار اسمزی از خاک به برگ‌ها هدایت می‌شود. ریزکانال‌های موجود در بسته‌های آوندی برگ در حرکت و توزیع آب در سراسر برگ مسوول هستند و نقش موثری دارند. سپس آب طی فرآیند تعرق از روی سطح سلول‌ها تبخیر می‌شود.

مفهوم مبتکرانه برگ فتوولتائیک با الهام از ظرافت برگ‌های گیاه، فرآیند تعرق طبیعی را تکرار می‌کند و حرکت، توزیع و تبخیر آب را تسهیل می‌کند. برگ‌های فتوولتائیک با تقلید از بسته‌های رگ‌برگ با الیاف طبیعی و تکثیر سلول‌های اسفنجی با هیدروژل، گرما را به طور موثر و اقتصادی از سلول‌های PV خورشیدی استخراج می‌کنند. احتمالاً به همین دلیل است که این برگ‌ها در برداشت انرژی خورشیدی و آب کارآمدتر هستند.

با این حال، تامین آب شیرین کافی به عنوان خنک‌کننده، می‌تواند چالش‌برانگیز باشد. منابع آب شیرین هنوز کمیاب هستند، بنابراین بررسی عملکرد برگ PV با استفاده از خنک‌کننده‌های جایگزین برای تعرق، به ویژه آب دریا که فراوان است و 97 درصد از آب زمین را تشکیل می‌دهد، ضروری است. فراوانی این منبع آب می‌تواند خنک‌کننده‌ای کم‌هزینه و پایدار برای ظرفیت قابل‌توجهی از برگ‌های فتوولتائیک فراهم کند.

چشم‌انداز

دانشمندان با تقلید از فرآیند تعرق گیاهان دریافتند که برگ مصنوعی، پتانسیل تولید برق بیشتری دارد. چندین آزمایش نشان داده است که یک برگ فتوولتائیک توانایی تولید بیش از 10 درصد برق اضافی را نسبت به پنل‌های خورشیدی سنتی دارد که به طور معمول تا 70 درصد از انرژی خورشیدی ورودی به محیط اطراف را از دست می‌دهند.

فناوری جدید برگ فتوولتائیک (PV-leaf) از مواد کم‌هزینه استفاده می‌کند و می‌تواند الهام‌بخش نسل بعدی فناوری‌های انرژی‌های تجدیدپذیر باشد. اجرای این طرح نوآورانه برگ‌مانند می‌تواند به تسریع انتقال انرژی جهانی کمک کند، در حالی که به دو چالش مهم جهانی پرداخته است: نیاز به افزایش انرژی و آب شیرین. پژوهشگران دانشگاه لندن ادعا می‌کند که اگر این فناوری برای دستیابی به اهداف پنل خورشیدی برای سال 2050 به کار گرفته شود، می‌تواند سالانه بیش از 40 میلیارد مترمکعب آب شیرین تولید کند.

این برگ‌های PV توانایی تولید 10 درصد برق بیشتر نسبت به پنل‌های خورشیدی سنتی دارند، در حالی که به طور موثر مشکلات گرمای بیش از حد را برطرف می‌کنند. با داشتن پتانسیل تولید انرژی و آب شیرین قابل توجه، PV-Leaf نویدبخش پیشبرد انتقال انرژی جهانی است.

به طور کلی، برگ PV هیبریدی کم‌هزینه و با راندمان بالا، نوید افزایش قابل توجه ظرفیت تاسیسات خورشیدی، بدون تکیه بر عناصر پیچیده و گران‌قیمت انتقال حرارت و سایر اجزا را می‌دهد. همچنین امکان حل همزمان چالش‌های جهانی افزایش تقاضای انرژی و کمبود آب شیرین و سرعت بخشیدن به مسابقه «دستیابی به صفر خالص» را فراهم می‌کند. 

منابع:

1- نشریه نیچر، 8 ژوئن 2023

2- interestingengineering.com، 16 آگوست 2023

3- www.solarpowerportal.co.uk، 24 آگوست 2023

4- وب‌سایت energytheory.com، 24 آگوست 2023

5- www.pv-magazine.com، 21 آگوست 2023

6- وب‌سایت نکست‌وب، 17 آگوست 2023