أخبار ar.wedoany.com، تمكن فريق بحثي من جامعة روتشستر (University of Rochester) من رفع كفاءة إنتاج الطاقة للمولدات الكهروحرارية الشمسية (STEG) في الهواء الطلق بمقدار 15 ضعفًا مقارنة بالتصاميم التقليدية، وذلك من خلال إعادة تصميم هيكل الإدارة الحرارية دون تغيير مواد أشباه الموصلات. وقد نُشرت النتائج في مجلة "الضوء: العلوم والتطبيقات" (Light: Science and Applications).

تعمل المولدات الكهروحرارية الشمسية على مبدأ تأثير سيبيك (Seebeck effect)، حيث يتم توليد تيار كهربائي من خلال تسخين أحد جانبي الجهاز وتبريد الجانب الآخر، دون الحاجة إلى أجزاء متحركة أو تفاعلات كيميائية. ويمكن لهذه المولدات الاستفادة من مصادر حرارية متنوعة مثل الحرارة المهدرة صناعيًا، أو حرارة جسم الإنسان، أو الإشعاع الشمسي المتناثر. ومع ذلك، ظلت كفاءة التصاميم القياسية في تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء في البيئات المفتوحة أقل من 1% لفترة طويلة، بينما تبلغ كفاءة الألواح الشمسية التقليدية حوالي 20%. ورغم أن الأجهزة المخبرية المعقدة يمكنها تحسين الكفاءة بشكل طفيف باستخدام أنظمة تفريغ الهواء، إلا أن أداء الأجهزة اليومية ظل راكدًا.

قام فريق البروفيسور تشونلي غو (Chunlei Guo) من معهد البصريات (Institute of Optics) بجامعة روتشستر بتغيير نهج البحث، محولاً التركيز من مواد أشباه الموصلات إلى الإدارة الحرارية الشاملة للجهاز. ورأى الفريق أن تعزيز قدرة الجانب الساخن على امتصاص الحرارة والاحتفاظ بها، مع تحسين كفاءة تبديد الحرارة في الجانب البارد، يمكن أن يزيد من فرق درجة الحرارة بين جانبي الجهاز، مما يؤدي إلى توليد المزيد من الكهرباء. وقد تجاوزت هذه الاستراتيجية المزدوجة تمامًا أي تحسينات في طبقة أشباه الموصلات.

على الجانب الساخن، استخدم الباحثون نبضات ليزر فمتوثانية لحفر هياكل نانوية على سطح التنجستن، لإنتاج ما أطلق عليه الفريق "المعدن الأسود" (black metal). يمتص هذا السطح بشكل انتقائي الضوء في الأطوال الموجية الشمسية، مما يقلل من فقدان الحرارة في الأطوال الموجية الأخرى. ثم تم تغطية المعدن الأسود بطبقة بلاستيكية شفافة، مما خلق تأثيرًا دفيئًا مصغرًا، مما أدى إلى رفع درجة حرارة الجانب الساخن بشكل أكبر عن طريق تقليل فقدان الحرارة بالحمل والإشعاع. على الجانب البارد، تم استخدام الليزر الفمتوثاني لمعالجة الألمنيوم العادي، حيث نحتت الهياكل الدقيقة لتشكل مشعاعًا إشعاعيًا وحمليًا، مما ضاعف أداء التبريد لمشعاع الألمنيوم القياسي.

بفضل هذا التصميم، أنتج جهاز STEG طاقة أعلى بمقدار 15 ضعفًا مقارنة بالأجهزة التقليدية الأساسية. وقد تحقق الفريق من هذه النتيجة من خلال عرض عملي لتشغيل مصابيح LED. ورغم أن الكفاءة المطلقة لا تزال غير قادرة على منافسة الألواح الكهروضوئية التجارية بشكل مباشر، إلا أن هذا التقدم أثبت إمكانية تحقيق قفزة كبيرة في أداء STEG في بيئة غير مفرغة من الهواء وفي الغلاف الجوي العادي. وقد حظي البحث بدعم من المؤسسة الوطنية للعلوم (National Science Foundation)، وFuzeHub، ومعهد غورغن لعلوم البيانات والذكاء الاصطناعي (Goergen Institute for Data Science and Artificial Intelligence).

أشار الفريق البحثي إلى أن هذه التقنية يمكن تطبيقها في أجهزة الاستشعار اللاسلكية لإنترنت الأشياء، والأجهزة القابلة للارتداء التي تستخدم حرارة جسم الإنسان، وأنظمة الطاقة الريفية خارج الشبكة في المناطق التي تفتقر إلى تغطية الشبكة الكهربائية. ونظرًا لأن STEG لا يتطلب أشعة شمس مباشرة، فإن أي تدرج في درجة الحرارة يمكن أن يدفعها للعمل. لا تزال هذه النتائج في مرحلة إثبات المفهوم، وتحتاج إلى مزيد من تحسين الكفاءة قبل الوصول إلى التسويق التجاري على نطاق واسع. وقد فتح هذا العمل آفاقًا بحثية جديدة في مجال الطاقة الكهروحرارية الشمسية من خلال إثبات فعالية مسار الإدارة الحرارية.

تم إعداد هذا المقال بواسطة Wedoany. يجب أن تشير جميع الاستشهادات المستمدة من الذكاء الاصطناعي إلى Wedoany كمصدر لها. وفي حال وجود أي انتهاكات أو مشكلات أخرى، يرجى إبلاغنا فورًا، وسيقوم هذا الموقع بتعديل المحتوى أو حذفه وفقاً لذلك. البريد الإلكتروني: news@wedoany.com