في بحث جديد نُشر يوم الخميس في مجلة جول، أظهر الدكتور أسواث رامان، وهو مهندس كهرباء بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس، طريقة ل توليد الطاقة وتسخير سماء الليل المظلمة لتزويد مصباح كهربائي بالطاقة.
يستخدم النموذج الأولي من الجهاز، تبريدا إشعاعيا، وهي الظاهرة التي تجعل المباني والمتنزهات أكثر برودة من الهواء المحيط بعد غروب الشمس.
ونظرا لأن جهاز Dr. Raman يطلق الحرارة، فإنه يعمل بشكل غير متساو، حيث يبرد الجانب العلوي أكثر من الجزء السفلي، ثم يحول الفرق في الحرارة إلى كهرباء.
وفي الورقة، وصف الدكتور رامان قدرة الجهاز عند توصيله بمحول الجهد، على تشغيل مصباح LED أبيض.
وقال الدكتور رامان “الميزة الأساسية في هذا الجهاز هي أنه يمكن أن يبرد”.
مصر والصين .. مركز أبحاث الطاقة الشمسية لتعزيز طريق الحرير الجديد وتعزيز السلام
وقال جيفري غروسمان، عالم المواد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الذي يدرس التبريد السلبي وتكنولوجيا الطاقة الشمسية، إن العمل “مثير جدا” وأظهر وعودا بتطوير التطبيقات منخفضة الطاقة في الليل.
وأضاف: “لقد اقترحوا مسارات معقولة لزيادة أداء أجهزتهم، ولكن هناك بالتأكيد طريق طويل إذا ما أرادوا استخدامه كبديل لإضافة تخزين البطارية للخلايا الشمسية”.
كل شيء تنبعث منه الحرارة، وفقا لقوانين الديناميكا الحرارية، في الليل، عندما يبتعد أحد جوانب الأرض عن الشمس، تهدأ مبانيه وشوارعه وأفراده، وإذا لم توجد غيوم لسحب الدفء، يمكن أن تفقد الأجسام الموجودة على الأرض الكثير من الحرارة بحيث تصل إلى درجة حرارة أقل من الهواء المحيط بها.
هذا هو السبب في تجمد الحشائش في الطقس البارد في صباح الخريف، حتى عندما تكون درجة حرارة الهواء أعلى من درجة التجمد، حيث يصبح الجو الصافي بمثابة فتحة في الفراغ، تتدفق من خلالها الحرارة مثل الهواء عبر الشرفة.
استفاد البشر من هذا التأثير منذ آلاف السنين، فمنذ ستة آلاف عام، بنى الناس في ما يعرف الآن بإيران وأفغانستان هياكل هائلة على شكل خلية نحل تسمى yakhchal، والتي استخدمت تأثير التبريد السلبي هذا لإنشاء وتخزين الثلج في الصحراء.
لقد درس العلماء المعاصرون كيفية الحصول على الطاقة من تقلبات الأرض أثناء الليل في درجات الحرارة، لكن هذا العمل ظل نظريا في الغالب.
في عام 2014، قال الباحثون بقيادة فيديريكو كاباسو، أستاذ الهندسة الكهربائية بجامعة هارفارد، أنه في أحسن الأحوال يمكن استخراج حوالي 4 واط فقط من الطاقة من متر مربع من الفضاء البارد، وعلى النقيض من ذلك، فإن الألواح الضوئية، أكثر أنواع الألواح الشمسية شيوعاً، تولد حوالي 200 واط لكل متر مربع في ضوء الشمس المباشر.
تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى حمض الفورميك لتخزين الطاقة المتجددة
ومع ذلك، فإن الجهاز الذي يمكنه إنتاج أي كمية من الكهرباء في الليل سيكون ذا قيمة؛ بعد غروب الشمس، لا تعمل الخلايا الشمسية، حتى مع ارتفاع الطلب على الإضاءة.
كان شانهوي فان، وهو مهندس كهربائي في ستانفورد ومؤلف دراسة الدكتور رامان، في طليعة هذا البحث.
في الخريف الماضي، وصف فريق الدكتور فان جهازا يمكنه توليد الكهرباء باستخدام الألواح الشمسية خلال النهار، ثم استخدم تأثير التبريد السلبي لتهدئة المبنى ليلا.
وفي وقت سابق من هذا العام، اختبروا أيضا ديودا ضوئيا يعمل بالأشعة تحت الحمراء، على غرار التكنولوجيا المستخدمة في معظم الخلايا الشمسية، ولكنه يستخدم الدفء، وليس أشعة الشمس، لتوليد كميات كبيرة من الكهرباء في الظلام.
يشبه النموذج الأولي الذي بناه الدكتور رامان قرص لعبة الهوكي، وهو قرص البوليسترين المغلف بالطلاء الأسود، وفي صميمه، توجد أداة تسمى مولد حراري، والذي يستخدم الفرق في درجة الحرارة بين الجانبين المعاكسين للجهاز لتوليد تيار، وهناك جهاز مماثل يشغل مركبة ناسا على سطح المريخ؛ حيث يستمد الحرارة من الإشعاع البلوتونيوم.
عادة ما يكون الفرق في درجات الحرارة في هذه المولدات صارخا، وهي مصممة بعناية لفصل بين الحرارة الباردة والساخنة. يستخدم جهاز Dr. Raman بدلا من ذلك درجة حرارة الجو المحيطة كمصدر للحرارة، حيث أن التحول من الدفء إلى البرد بسيط ، مما يعني أن الجهاز لا يمكنه إنتاج طاقة كبيرة.
تم رفع الجهاز على أرجل الألمنيوم، مما يتيح تدفق الهواء من حوله، وعندما يفقد القرص الدفء في سماء الليل، فإن الجانب المواجه للنجوم يزداد برودة من الجانب المواجه للطاولة، وهذا الاختلاف الطفيف في درجة الحرارة يولد تدفق الكهرباء.
عند إقرانها بمحول جهد، ينتج النموذج الأولي 25 مللي واط من الطاقة لكل متر مربع، أي حوالي ثلاثة مرات أقل مما تنتج الألواح الشمسية النموذجية، وأقل بكثير من أقصى قدر من الكفاءة تقريبا 4 واط لهذه الأجهزة، ومع ذلك، قال العديد من الخبراء يرون أن النموذج الأولي كان مساهمة مهمة في قطاع الطاقة المتجددة.
إنه مزيج مثالي من التبريد الإشعاعي – وهي تقنية طور فيها رامان أجهزة عمل حقيقية – مع مواد حرارية تولد الكهرباء إذا كان أحد الجانبين أكثر سخونة من الجانب الآخر”، وقالت إيلين ويليامز، أستاذة الفيزياء في جامعة ماريلاند والمديرة السابقة لوكالة مشاريع البحوث المتقدمة في وزارة الطاقة: “لقد أثبتت كلتا التقنيتين أنهما عمليتان ولكنني لم أرهما مجتمعين بهذه الطريقة، لقد فعلوا ذلك بمواد غير مكلفة، مما يشير إلى أنه يمكن تحويله إلى منتجات مفيدة للعالم النامي. ”
وقال لانس ويلر، عالم المواد في المختبر الوطني للطاقة المتجددة في جولدن، كولو، إن أحد التحديات سيكون تحسين كفاءة الجهاز دون رفع تكاليفه، وعلى الرغم من أن الأجهزة الكهربائية الحرارية أقل كفاءة وأغلى من الخلايا الكهروضوئية، إلا أنها قد تكون أكثر متانة.
وقال الدكتور رامان، من الممكن تصوُّر أن الأجهزة الكهربائية الحرارية يمكن أن تُكمل الأنوار التي تعمل بالطاقة الشمسية في المناطق التي تمثل فيها البطاريات المتغيرة تحديا، كما هو الحال في مصابيح الشوارع أو في المناطق النائية البعيدة عن الشبكات الكهربائية.
وأضاف: “لقد أحسست أن كمية الكهرباء التي يمكن أن نحصل عليها ستكون ضئيلة جدا، وكانت كذلك، لكنني تجولت في سيراليون، وأدركت أن الإضاءة لا تزال تمثل مشكلة كبيرة، لذا فهي فرصة أيضا.”
