الڤلطائيات الضوئية الحرارية
الڤلطائيات الضوئية الحرارية(*)
ربما تُثْبت أشباه الموصلات التي تحوِّل
الحرارة الإشعاعية (المُشَعَّة) إلى كهرباء، أنها
صالحة لإنارة القرى النائية وتشغيل السيارات.
<J .T. كوتس> ـ <C .M. فيتزجيرالد>
إن تقانة الڤلطائيات الضوئية هي التقانة التي تحوّل عادة ضوء الشمس إلى كهرباء، والإشعاع الناتج من الجزء المرئي في الطيف هو قبل كل شيء غزير ومجاني وغير مُلَوِّث. ولكن تقانة الڤلطائيات الضوئية قادرة كذلك على تأمين كميات من الكهرباء صالحة للاستعمال بتحويل الإشعاع تحت الأحمر أيضا ـ الذي هو الحرارة الإشعاعية (المُشعَّة) التي يولدها مصدر طاقة مثل زيت الوقود (المكوَّن من الفحوم الهيدروجينية «الهيدروكربون»).
وهذه المقاربة غير المعروفة كثيرا، التي تدعى تقانة الڤلطائيات الضوئية الحرارية، تقدم فائدة كبيرة في بعض المواقف: فالمولد يمكنه أن يشتغل في الليل أو عندما تكون السماء ملبّدة بالغيوم، وبذلك يُستغنى عن البطاريات لاختزان الكهرباء. وتفضَّل هذه التقانة من بعض الوجوه أيضا على تقانة توليد الكهرباء التقليدية، القائمة على حرق أنواع الوقود الأحفوري، فيمكن أن تكون كفاءة (مردود) هذه التقانة ـ أي النسبة المئوية من طاقة الوقود المتحولة إلى كهرباء ـ أعلى بقدر محسوس من كفاءة المولدات الكهربائية المغذاة بطاقة الغاز الطبيعي أو غيره من أنواع الوقود الأحفوري، وفوق ذلك يمكن تصميم نظام الڤلطائيات الضوئية الحرارية المبني على أشباه الموصلات ليقلل الملوِّثات إلى حد بعيد، وبما أنه لا يحتوي على أجزاء متحركة فهو يشتغل بصمت وموثوقية ويتطلب صيانة ضئيلة.
وعلى الرغم من هذه الميزات، لم تتمتع تقانة الڤلطائيات الضوئية الحرارية (أي بلا ضوء الشمس) بالنجاح الذي حظيت به الڤلطائيات الضوئية الشمسية التي تشكل في هذه الأيام قطاعا مزدهرا من سوق الطاقة، مع أنه قطاع متخصص. غير أن هذا الجزء من الطاقة لن يلبث أن يتقلص، إذ تبدو هذه التقانة التي تمتد جذورها إلى البحوث نفسها التي تنتج الخلايا الشمسية، وكأنها تنحو لتصبح قائمة بحد ذاتها.
إن الأفكار التي تكمن وراء الڤلطائيات الضوئية الحرارية تمتد إلى 40 سنة خلت، حيث كان <R .P. إيگران> (من المعهد العالي للمعلمين في باريس) أول من شرح بعض المفاهيم الأساسية عنها في سلسلة من المحاضرات عام 1956، وفي أوائل الستينات قام باحثو الجيش الأمريكي في فورت مونماوث بولاية نيوجرسي باختراع أول نموذج أولي موثّق لمولد ڤلطائي ضوئي حراري، غير أن كفاءته كانت تقل عن واحد في المئة، في الوقت الذي كانت الحاجة تدعو إلى مولِّد تتراوح كفاءته ما بين 10 و15 في المئة، حتى يمكن استعماله وتوزيعه على الجنود في ساحات القتال.
وفي أواخر السبعينات وأوائل الثمانينات أجريت أبحاث دعمتها ونفذتها منظمات مختلفة ـ بينها معهد أبحاث الطاقة الكهربائية في بالو ألتو بكاليفورنيا ومعهد أبحاث الغاز في شيكاگو وجامعة ستانفورد ـ وأحرزت بعض التحسين في الأداء، ولكن المكوِّنات في الأنظمة المبكرة لم تستطع بتاتا سَوْق حرارة كافية إلى الوحدات التي تحوِّل الطاقة تحت الحمراء إلى كهرباء. ولم تتمكن هذه التقانة من تجاوز مرحلة التطوير إلا حديثا وبفضل مجموعة جديدة من المواد.
البدايات التجارية
توشك الڤلطائيات الضوئية الحرارية أن تحتل ساحة السوق التجارية، إذ تخطط شركة في الشمال الغربي من شاطئ المحيط الهادي لتسويق مولد ڤلطائي ضوئي حراري بإمكانه تشغيل التجهيزات الكهربائية في المراكب الشراعية. وثمة تطبيقات أخرى قيد التطوير تشتمل على وحدات طاقة صغيرة ستزود المناطق النائية أو القوات العسكرية الجوّالة بالكهرباء. وقد تتمكن هذه التقانة من المساعدة على تشغيل المَرْكَبات الكهربائية الهجينة التي تقوم فيها بطارية كهربائية باستكمال الطاقة الناتجة من محرك احتراق داخلي. وأخيرا قد تتمكن الڤلطائيات الضوئية الحرارية من إنتاج ميگاواطات من الطاقة لتسد بعض متطلبات المرافق أو لتساعد الصناعة على تلبية احتياجاتها من الكهرباء، عن طريق استرجاع الحرارة غير المستعملة والناتجة من العمليات الصناعية.
إن إنتاج الكهرباء من الحرارة الإشعاعية يتطلب العديد من العناصر الوظيفية، إذ يجب ربط المصدر الحراري بُمشِع مصنوع من مادة قادرة على إصدار الأطوال الموجية المرغوبة من الإشعاع تحت الأحمر. كما يجب تصميم جهاز من أشباه الموصلات يتألف من صفيف من الخلايا الموصولة فيما بينها، تصميما هندسيا ليقوم بتحويل هذه الأطوال الموجية المنتقاة إلى كهرباء، ترسل بعدئذ في دارة لكي تؤدي عملا مفيدا، كتشغيل برّاد على مركب. ويجب أخيرا تحسين كفاءة الأداء بأن يقوم النظام الڤلطائي الضوئي الحراري بإعادة سَوْق الطاقة غير المستعملة إلى المشع. وفي بعض التطبيقات تستعمل الحرارة الضائعة لأغراض أخرى، كتدفئة حجرة.
ومصادر الحرارة اللازمة لنظام ڤلطائي ضوئي حراري يمكن أن تمتد من حرّاقات وقود أحفوري إلى ضوء الشمس إلى تفاعل انشطار نووي. وأغلب الأنظمة التي هي قيد التطوير تعتمد على أنواع الوقود الأحفوري لأسباب عملية. أما الطاقة الشمسية التي تزاد شداتها بأجهزة «مركّزة» فيمكن استخدامها لتشغيل مولد ڤلطائي ضوئي حراري، إلا أن المركّزات التي بحجم الغرفة، والأجهزة اللازمة لاختزان الحرارة من أجل الاستعمال الليلي، لاتزال في مراحل تطويرها الأولية. ويعتبر العديد من الخبراء أن الجمهور أقل تقبُّلا للبديل الأخير الذي هو الوقود النووي؛ بسبب تخوّفه من النشاط الإشعاعي. لذا يحسن ترك الخيار النووي للتطبيقات العالية التخصص، مثل مسابير الفضاء غير المأهولة التي تصل إلى خارج المجموعة الشمسية، حيث تتوقف الخلايا الشمسية عن العمل بسبب فقدان ضوء الشمس.
يحول المولد الڤلطائي الضوئي الحراري الحرارة الإشعاعية (المشعَّة) إلى كهرباء، وفيه يولد الحرَّاق (في الوسط) الحرارة التي تصدم فوتوناتها تحت الحمراء مشعا (في الإطار الأخضر). ويسوق المشع بعض الأطوال الموجية تحت الحمراء إلى صفيفات من الخلايا الڤلطائية الضوئية (الشبكة) التي تحول الطاقة إلى كهرباء. |
وعند تصنيع الحرّاق الذي يَمُدُّ بالحرارة، كان الباحثون قد بدأوا بالتفكير في الاستفادة من الشبكات المعدنية أو الأوعية الخزفية التي تستخدمها الصناعة في تجفيف الورق وأنواع الحبر والدهانات والغلال الزراعية، إذ تستطيع هذه الحراقات بمساحة سطحها الكبيرة أن تؤمن درجات الحرارة اللازمة التي تفوق 1000 درجة سيلزية (1832 درجة فرنهايتية).
والمشعات ضرورية؛ لأن شبه الموصل الذي يحوّل الحرارة المشعة إلى كهرباء، لا يستطيع أن يستخدم الطاقة تحت الحمراء التي ينتجها احتراق الوقود بالكفاءة اللازمة، فالمحاويل converters 1 لا تستطيع العمل بكفاءة إلا في مدى خاص من الأطوال الموجية، في حين ترسل الحرارة الصادرة عن لهب طاقةً تحت حمراء أطوالها الموجية وشداتها معرّضة لتغيرات لا يمكن التنبؤ بها (لأن اللهب يتعرض لتيارات هوائية ولتغيرات في درجات الحرارة). في حين يحوّل المشع الطاقة الحرارية المتيسرة إلى مدى محدد تماما من الأطوال الموجية المنتظمة الشدة.
ويُصْنع المشع من سطح مستو أو مدور أو من صفيف أسلاك بالغة الصغر. وتسمح الصفات المادية لأكاسيد عناصر التربة النادرة، مثل الإتربيوم والإربيوم والهولميوم، بأن تشعّ الحرارة عن الحرَّاق في نطاقات من الأطوال الموجية ضيقة نسبيا، في حين يقوم كربيد السيليكون (السيليسيوم) على العكس بإصدارها في مدى واسع من الطيف.
وعند صنع المِحْوال، يختار الباحثون في تقانة الڤلطائيات الضوئية الحرارية أشباه الموصلات المتوائمة مع طيف الأطوال الموجية تحت الحمراء الصادرة عن المشع. وتقابل هذه الأطوال الموجية ما يلزم للإلكترونات تقريبا من طاقة لتحريرها والتي من دونها تبقى مقيّدة داخل الشبكة البلورية للمِحْوال شبه الموصل [انظر ما هو مؤطر في الصفحة المقابلة]. إن الإلكترونات الأعلى طاقة تقع فيما يسمى حزام التكافؤ للبلورة شبه الموصلة، وهذا الحزام يحدد مدى مستويات الطاقة المسموحة لأبعد الإلكترونات المقيّدة. فالإلكترونات الواقعة في حزام التكافؤ ليست حرة لتتحرك داخل البلورة. وعندما تمتص ذرة فوتونا تحت أحمر يحمل المقدار اللازم تماما من الطاقة، يرتفع الإلكترون فيها إلى حزام الموصلية (الناقلية) ومن هناك يستطيع الجَوَلان في تيار داخل البلورة. (الفوتون هو وحدة الطاقة الكهرمغنطيسية، أو كمومها، وحسب قوانين الميكانيك الكمومي (الكوانتي) فإن الطاقة الكهرمغنطيسية كلها تتميز بصفات الموجة والجسيم معا، وتحدد طاقة الفوتون الطول الموجي لموجته المصاحبة.) وتعرف طاقة الفوتون اللازمة لنقل الإلكترون من حزام التكافؤ إلى حزام الموصلية بطاقة الفرجة الحزامية (عرض الحزام المحظور)، ويُعبَّر عنها بوحدات الإلكترون ڤلط (eV).
يتكون المولد (تُرَى صورته ومخططه) من حرّاق يتحد فيه زيت الوقود بالهواء لإنتاج الحرارة، ومن مشع للأشعة تحت الحمراء تحيط به خلايا المحوال الڤلطائي الضوئي الحراري التي تتصل بها أجنحة التبريد. وعندما يشتعل زيت الوقود يسخن المشع إلى الدرجة 1250 سيلزية أو أكثر. ثم تقوم الخلايا الثماني والأربعون المصنوعة من أنتيمونيد الگاليوم والموصولة على التسلسل بتحويل الطاقة تحت الحمراء التي يصدرها المشع إلى طاقة كهربائية. وفي الوقت نفسه يبدأ قسم من التيار بتشغيل المروحة التي تعمل على نفخ الهواء إلى الأعلى من أجل تبريد الخلايا الڤلطائية الضوئية. وتنتقل الطاقة الكهربائية الفائضة عن الطاقة التي ينتجها المولد إلى بطارية كي تستخدم لاحقا. وعندما تعمل هذه الدارة في درجة حرارة تشغيلها المثلى تستطيع تقديم قدرة تبلغ 30 واط، كما يمكن استخدام الحرارة الفائضة للتدفئة. |
وعندما تصل الإلكترونات إلى حزام الموصلية تلاقي التحاما بين منطقتين غير متجانستين في البلورة شبه الموصلة، فتعبره متحركة في أحد الاتجاهين بحرية أكبر من الاتجاه الآخر. ونتيجة لتجمُّع الإلكترونات المشحونة سلبيا في أحد جانبي الالتحام، ينشأ كمون كهربائي سالب يعمل كقوة تدفع الإلكترونات في تيار يتدفق عبر الخلية الڤلطائية الضوئية. ويتكون كل مِحْوال من سلسلة من الخلايا الموصولة بأسلاك فيما بينها لزيادة طاقة الخَرْج. ويتمكن التيار الذي يولده المحوال بعد ذلك من التحرك عبر سلك موصول بمصباح أو بنظام كهربائي منزلي.
وبفضل التقدم الحاصل في مواد المحْوال تمكّن المهندسون من تحسين الخَرْج الكهربائي، فصاروا يستطيعون انتقاء المحاويل التي تستجيب أفضل استجابة لمدى الأطوال الموجية التي يصدرها مشعّ معين، استنادا إلى قيم طاقات فرجتها الحزامية المحظورة الخاصة. وفي السنوات الأخيرة ظهرت عقبة في وجه تدعيم هذه التقانة وهي غياب التركيبات المناسبة بين المشعّ والمِحْوال.
تحوِّل خلية المِحْوال الحرارة إلى كهرباء عندما تدخل الفوتونات تحت الحمراء الحاملة للطاقة اللازمة تماما إلى الخلية بالقرب من تقاطع منطقتين غير متماثلتين في بلورة شبه موصلة. وعندما يلاقي أحد الفوتونات ذرة هناك ينتزع إلكترونا من مكانه مخلفا ثقبا محلَّه. فيهاجر الإلكترون إلى طبقة النمط n (الطبقة التي تحتوي على إلكترونات أكثر من الثقوب)، في حين تنتقل الثقوب إلى طبقة النمط p (الطبقة التي تحتوي على ثقوب أكثر من الإلكترونات). ثم يتحرك الإلكترون عبر تماس كهربائي موجود في الخلية ويغادر عبر دارة خارجية إلى أن يعود فيظهر في طبقة النمط p، حيث يعود فيتحد مع ثقب هناك. وإذا كان الفوتون يحمل طاقة، أقل من اللازم، أي من طاقة الفرجة الحزامية (عرض الحزام المحظور)، فإنه ينعكس على حائل من المَرْو (الكوارتز) ويعود إلى المشع. |
استَخْدم الجيلُ الأول من الأجهزة الڤلطائية الضوئية الحرارية مشعاتٍ تنتج نطاقا ضيقا من الأطوال الموجية، وكانت المشعات المصنوعة من أحد عناصر التربة النادرة، وهو أكسيد الإتربيوم، تتصاحب غالبا مع محاويل شبه الموصل السيليكوني، الذي تبلغ فرجته الحزامية المحظورة 1.14 إلكترون ڤلط. ومن الناحية النظرية يجب أن يكون المشع الانتقائي ـ الذي يصدر نطاقا ضيقا من الأطوال الموجية ـ أكثر كفاءة من تصميمات الطيف الواسع (النطاق العريض). فالفوتونات في المشع الانتقائي ينبغي أن تؤمن الطاقة الدنيا اللازمة لرفع الإلكترون في المحوال شبه الموصل إلى حزام الموصلية (الناقلية)، وإلا فإن كل فائض من الطاقة سيضيع بشكل حرارة مبدّدة، وهكذا توفر المشعات الانتقائية طاقة أكبر بكلفة أقل لكل واط من الكهرباء. ولكن الأنظمة لم تؤد عملها في الواقع على النحو المتوقع منها قط، وفشلت المشعات في إصدار ما يكفي من الطاقة من احتراق الوقود بالأطوال الموجية اللازمة بالضبط لعنصر مثل السيليكون، لكي تجعل عملية التحويل فعّالة أو لكي تنتج طاقة كافية.
إضافة إلى ذلك فإن الأمر يتطلب درجات حرارة من رتبة 2000 درجة سيلزية، للتوصل إلى شدات كافية حتى تحرز خرجا مُجْديا من الطاقة. وقد تتسبب الحرارة في إجهاد المواد التي يُصْنع منها المشع وغيره من المكوِّنات مما يقصِّر عمرها. يضاف إلى ذلك أن احتراق الوقود في هذه الدرجات من الحرارة المتقدة يمكنه أن يطلق أكسيد الآزوتي الملوِّث.
المفعول الڤلطائي الضوئي
| تستفيد الڤلطائيات الضوئية الحرارية من صفات شبه الموصل التي تسمح بتوليد تيار كهربائي عندما تمتص مادة بلورية أحد الفوتونات. وتقع الإلكترونات الموجودة في بلورة شبه موصلة في مدى من مستويات (سويات) الطاقة المحددة، يعرف كل منها باسم حزام (اللوحة اليسارية من المخطط). ويحدد كل حزام مقدار الطاقة اللازم لتحرير إلكترون من البلورة. وأبعد حزام تبقى الإلكترونات مقيدة فيه (لا تتمكن من السريان بحرية في التيار) يدعى حزام التكافؤ. ولكي ترتحل إلكترونات التكافؤ يجب عليها أن تصعد إلى حزام طاقة أعلى (وفق السهم) هو حزام الموصلية. ويوجد بين هذين الحزامين مدى من الطاقات لا تستطيع الإلكترونات شغله يعرف باسم الفجوة المحظورة أو الفجوة الحزامية.
ويكون حزام الموصلية في شبه الموصل مملوءا جزئيا بالإلكترونات التي تشكل شحنة سالبة تنشأ عن الشوائب المضافة إلى شبه الموصل. وفي الوقت نفسه تكون مستويات الطاقة الشاغرة في حزام التكافؤ ـ وهي المناطق التي تنقصها الإلكترونات وتدعى الثقوب ـ مكافئة لشحنة كهربائية موجبة.
وإذا كان شبه الموصل يمتلك إلكترونات في حزام الموصلية تزيد على الثقوب التي يمتلكها في حزام التكافؤ فإنه يدعى من النمط n (حيثn هو أول حرف من negative) وإذا كان يمتلك ثقوبا أكثر من الإلكترونات فإنه يدعى من النمط p (حيث p هو أول حرف من positive). وإذا حدث تماس بين مادتين شبه موصلتين، إحداهما من النمط n والثانية من النمط p، ينشأ بينهما ديود (ثنائي المساري). وفي البداية تسعى الإلكترونات المشحونة سلبيا إلى الارتحال نحو الثقوب المشحونة إيجابيا، والموجودة في الجانب p من الالتحام، كما تتدفق الثقوب نحو الجانب n منه. وتتكون شحنة سالبة في جانب الالتحام الذي تتراكم فيه الإلكترونات، وتتكون شحنة موجبة في الجانب المعاكس، فينشأ فرق كمون (جهد) كهربائي مشكلا حاجزا طاقيا عاليا يعاكس استمرار تدفق التيار («حالة التوازن» في الشكل الأيمن). ويختل شرط التوازن عندما تسقط الفوتونات ـ وهي الجسيمات الأساسية المكونة للإشعاع الكهرمغنطيسي ـ على الالتحام في شبه الموصل. وعندما يحدث امتصاص الفوتونات التي تساوي طاقتها طاقة الفجوة الحزامية (الفجوة المحظورة) أو تزيد عليها، تثار الإلكترونات من حزام التكافؤ لتعبر الفجوة المحظورة حتى تصل إلى حزام الموصلية. فيسبب هذا التبدل في تركيزي الإلكترونات والثقوب ارتحال بعض الإلكترونات إلى الجانب n من الالتحام وعبور بعض الثقوب إلى الجانب p منه؛ مما يخفض فرق الكمون عند الالتحام (أقصى اليمين). وتدعى هذه الظاهرة المفعول الڤلطائي الضوئي. وعندئذ يمكن أن تتحرك الإلكترونات عبر دارة خارجية على شكل كهرباء مولَّدة من الضوء. وتشكل طاقة الفجوة الحزامية المحظورة اللازمة لرفع الإلكترونات إلى حزام الموصلية واحدا من العوامل التي تميز الخلايا الڤلطائية الضوئية الحرارية عن الخلايا الشمسية. إذ تبلغ طاقة الفجوة المحظورة في خلية شمسية ما بين 1 و 1.5 إلكترون ڤلط، في حين تكون هذه الطاقات في الخلايا الڤلطائية الضوئية الحرارية واقعة عامة في المدى الممتد ما بين 0.5 و0.7 إلكترون ڤلط ـ أي في الطيف تحت الأحمر أكثر منها في الطيف المرئي. ولكن الفرق في طاقة الفجوة المحظورة لا يعني في أي حال أن الخلايا الشمسية تولد بالضرورة طاقة أكثر. ففي حالة الخلية الشمسية يحدث إشعاع الإلكترونات من الشمس في حرارة تبلغ نحو 6000 درجة سيلزية، في حين تكون الفوتونات تحت الحمراء المعدة لثنائي المساري شبه الموصل الموجود في خلية ڤلطائية ضوئية حرارية أبرد من ذلك بكثير، فهي في مدى الدرجات ما بين 1000 و 1700 سيلزية. وهكذا تكون الطاقة الضوئية الواردة إلى خلية ڤلطائية ضوئية حرارية أكبر بكثير من الطاقة الضوئية الساقطة على خلية شمسية؛ وذلك بسبب كبر المسافة الفاصلة بين الشمس والخلية الشمسية والتي تبلغ 150 مليون كيلومتر، في حين تبلغ المسافة الفاصلة بين الخلية الڤلطائية الضوئية الحرارية وسطح المشع نحو سنتيمترين. وعليه فالطاقة الكهربائية الخارجة من المحوال الڤلطائي الضوئي الحراري يحتمل أن تكون أكبر بكثير جدا من الطاقة الخارجة من خلية شمسية. |
حصل التقدم في الڤلطائيات الضوئية الحرارية بعد أن تعلَّم الباحثون كيفية مزاوجة المشعات التي تُصْدِر مدى واسعا نسبيا من الأطوال الموجية مع أشباه الموصلات القادرة على التواؤم مع هذا الطيف الواسع. إن المشعات العريضة النطاق، التي منها كربيد السيليكون، تستطيع العمل بكفاءة في درجات حرارة أقل، تصل إلى 1000 درجة سيلزية. إن المواد شبه الموصلة التي جرى تطويرها من أجل صناعة الطاقة الشمسية والواقعة في العمودين الثالث والخامس من جدول التصنيف الدوري للعناصر ـ والتي تدعى مواد العمودين الثالث والخامس، مثل أنتيمونيد الگاليوم وزرنيخيد الگاليوم والإنديوم ـ تستطيع أن تؤدي عمل التحويل الڤلطائي الضوئي في الأطوال الموجية التي تصدرها هذه المشعات. فطاقة الفرجة الحزامية المحظورة اللازمة لتوليد الطاقة من مواد العمودين الثالث والرابع ـ التي تتراوح ما بين 0.5 و 0.7 إلكترون ڤلط ـ هي أقل بكثير من الطاقة اللازمة للسيليكون والبالغة 1.14 إلكترون ڤلط.
لا يستطيع أي نظام ڤلطائي ضوئي حراري أن يحَوِّل كل الطاقة تحت الحمراء إلى كهرباء. فأي فوتون تقل طاقته عن فرجة المحوال الحزامية المحظورة لا يستطيع دفع إلكترون من حزام التكافؤ إلى حزام الموصلية، وبالتالي فهو لا يولد الكهرباء. وتصبح هذه الفوتونات غير المستعملة حرارة ضائعة، ما لم يتم إيجاد وسائل تستطيع استخدامها. ويشكل نظام استعادة الفوتونات أحد المكوِّنات في النظام الڤلطائي الضوئي الحراري، وهو الذي يرجع الفوتونات المنخفضة الطاقة إلى المشع الذي يعود فيمتصها، مما يساعد على الاحتفاظ بالمشع ساخنا، وعلى توفير في الوقود، وبذلك يصل عدد أكبر من الفوتونات الصادرة إلى طاقة الفرجة الحزامية المحظورة أو يتجاوزها.
استرداد الفوتونات غير المستعملة
استكشف الباحثون المحققون مقاربات عديدة لاسترجاع الفوتونات، من بينها استخدام شبكة من هوائيات معدنية مجهرية. وتقوم هذه الهوائيات التي ينبغي أن تكوِّن غشاء معدنيا رقيقا متوضعا فوق خلية المحوال، بإرسال الأطوال الموجية تحت الحمراء المرغوبة إلى المحوال، في الوقت نفسه الذي تعكس فيه الفوتونات الأخرى نحو الخلف إلى المشع. وقد منيت خطط عديدة لاسترجاع الفوتونات بفشل ذريع، فبعض الأنظمة يكشف مدى ضيقا جدا من الأطوال الموجية وبعضها الآخر باهظ التكلفة. وأفضل الخيارات الواعدة هو العاكس على السطح الخلفي ـ وقد دعي كذلك لأن الفوتونات التي لا تُمْتَص تعبر طبقات المحوال شبه الموصل بكاملها، وبعدئذ يعيدها إلى المشع سطح ذهبي عاكس جدا موضوع على الوجه الخلفي للمحوال.
ويعمل الباحثون في العالم على استكشاف مختلف السبل التقنية لتطوير الڤلطائيات الضوئية الحرارية وتسويقها. وقد تداعوا منذ عام 1994 إلى ثلاثة مؤتمرات دولية برعاية المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) التابع لوزارة الطاقة في الولايات المتحدة الأمريكية. كما موّلت وكالة مشروعات الأبحاث المتقدمة للدفاع (DARPA) ووزارة البيئة (DOE) ومكتب البحوث في الجيش الأمريكي عدة برامج لتطوير هذه التقانة.
وتثير النَّمْذجة المختبرية حماسة رجال العلم بما تعد به هذه التقانة، إذ يبدو أن الخلايا شبه الموصلة التي يوجد فيها التحام وحيد (مكان نشوء الكمون الكهربائي) وتعمل مع مشعّ يستطيع العمل في درجة الحرارة 1500 سيلزية، يمكنها أن تنتج خَرْجا من القدرة تتراوح كثافته ما بين ثلاثة وأربعة واط في كل سنتيمتر مربع من سطح المحوال.
وحاليا، ثمة تفكير في الخلايا المتعددة الالتحامات، وهو نهج مُستقى من صناعة الڤلطائيات الضوئية الشمسية، فالخلايا المتعددة الالتحامات تسمح للمحوال بالتقاط طيف واسع من الأطوال الموجية، مما يساعد على استخدام المشعات العريضة النطاق الموجي استخداما أفضل. فكل واحد من الالتحامات يولد تياره على حدة، بعد أن يمتص فوتونات مختلفة في مَدَيَات طاقاتها. وينبغي للأجهزة المتعددة الالتحامات من الناحية النظرية أن تنتج ما بين خمسة وستة واط من القدرة في كل سنتيمتر مربع. وتجدر موازنة هذه التصوّرات مع مثيلاتها المتعلقة بصفيف الخلايا الشمسية ذات الألواح العادية التي تنتج عادة 15 ملي واط في كل سنتيمتر مربع. وفي الوقت الذي تأتي فيه هذه التقديرات من النماذج الحاسوبية ـ ولا شك في أن الخرج الفعلي من القدرة سيكون أصغر من ذلك ـ فقد أعطت النماذج الأولية عمليا كثافات قدرة تزيد على واط واحد في كل سنتيمتر مربع.
كان العمل الدؤوب البطيء لتصميم وتجميع الأجزاء المكونة لنظام ضوئي حراري قد بدأ في العديد من المختبرات الحكومية والخاصة. ويقتضي الحصول على مقادير صالحة للاستخدام من القدرة أن تُرْبَط كل خلية تحويل إلى غيرها من الخلايا بأسلاك، الأمر الذي تستطيعه طرائق تصنيع أشباه الموصلات التقليدية، فهي تنقش عدة خلايا وتحفرها وتربطها ببعضها بأسلاك على سطح واحد فيما يدعى الرُّقاقة. وقد أثبت باحثون في المختبر NREL وباحثون عاملون بصورة مستقلة في شركة سپاير ببدفورد في ماساتشوستس وفي مركز لويس للأبحاث التابع للإدارة الوطنية للطيران والفضاء (NASA) محاسن هذه التقنيات لصفيفات الخلايا الڤلطائية الضوئية الحرارية. ومما عُرِض مثال متميز قدَّمه الباحثان <S. وارد> و<M. ونلاس> (العاملان في المختبر NREL) قاما فيه بوصل خلايا ڤلطائية ضوئية حرارية صغيرة ببعضها بأسلاك على التسلسل، بحيث تخرج التوصيلات السلكية من ذروة إحدى الخلايا، لتعود وتنزل فتدخل من خلف خلية مجاورة بتشكيلة تؤدي إلى خفض شدة التيار وزيادة الڤلطية والإقلال من ضياع الطاقة إلى أدنى حد.
سيارة تجريبية من إنتاج جامعة واشنطن الغربية تستمد بعض طاقتها من مولد ڤلطائي ضوئي حراري (المدرجة في الشكل). |
وربما يختصر هذا التصميم المِحْوال فيحيله إلى رقاقة مأهولة بالخلايا وليس لها سوى مربطين خارجيين ـ وهما المربطان اللازمان لصنع دارة ـ قادرين على إمداد مِضَخَّة مائية أو حجرة في الغابات بالطاقة اللازمة. ويمكن توصيل العديد من مثل هذه الرقاقات ببعضها للحصول على متطلبات الطاقة المرغوبة. وقد يساعد تجميع الخلايا الڤلطائية الضوئية في دارات تكاملية على خفض الكلفة العالية لهذه التقانة؛ لأنه يمكن تصنيع الخلايا باستخدام طرائق تصنيع أشباه الموصلات العادية. وقد ابتكر الباحثان وارد وونلاس في نموذجهما الأولي تصميما جديدا لإعادة تسيير الفوتونات غير المستعملة، وفيه تقع المساحات النشيطة كهربائيا من الرقاقة على سطح مادة من فوسفيد الإنديوم شبه العازلة. ولما كانت هذه المادة غير موصلة، وتبقى معظم الإلكترونات فيها مقيدة بإحكام نسبي داخل البلورة شبه الموصلة، فإن الفوتونات الضعيفة الطاقة تستطيع التنقل عبر المادة، من دون أن تمتصها الإلكترونات الحرة المتحركة في حزام الموصلية، إلى أن تصل إلى سطح ذهبي يعكسها فتعود إلى المشع. وجرى في تصميمات أخرى لنماذج أولية أن امتصت المحاويل العديد من الفوتونات غير المستعملة.
تصدر مشعَّات الفوتونات إما نطاقا ضيقا من الأطوال الموجية (انتقائية) وإما مدى واسعا (نطاقا عريضا) يستطيع مِحْوال شبهُ موصل تحويله إلى كهرباء. وتنتج المشعات الانتقائية المصنوعة من مواد التربة النادرة عددا قليلا من الفوتونات التي تحمل طاقة الفجوة الحزامية أو أكثر منها والتي يمكن عندها توليد الكهرباء (المنطقة الحمراء)، بخلاف المشعات العريضة النطاق فهي تستطيع أن تستفيد أكثر من الطاقة الصالحة للاستعمال التي تصل إلى الخلية (المنطقة الزرقاء). أما الفوتونات الضعيفة الطاقة ـ الموجودة في يمين الفجوة الحزامية ـ فتصبح حرارة ضائعة. |
إن صنع المحاويل من سَبْك عناصر مختلفة موجودة في العمودين الثالث والخامس من جدول التصنيف الدوري يمكِّن من الحصول على فجوة حزامية مرغوبة – الطاقة اللازمة لتحرير إلكترون حتى يتمكن من السريان في تيار كهربائي. إن الفجوات الحزامية الممتدة من 0.5 إلكترون ڤلط إلى 0.7 إلكترون ڤلط (المنطقة المظللة) مثالية للأجهزة الڤلطائية الضوئية الحرارية، وتقابل تزايدا في قصر الطول الموجي للأشعة الحمراء التي يصدرها المشع. ويمكن الحصول على طاقة هذه الفجوات بخلط مركبات مثل أنتيمونيد الگاليوم مع أنتيمونيد الإنديوم بنسب منفصلة، ممثلة بنقط على الخط الأحمر. وحساب التباعد بين الذرات (المحور السفلي) يسمح للمصممين بخلط مركبات مختلفة بعضها ببعض وهي متمايزة في بُناها البلورية. |
في حين يستمر التطوير في كل مكان، يوشك المنتج التجاري الأول من الڤلطائيات الضوئية الحرارية على الدخول إلى الأسواق، فقد اخترعت شركة كريستال JX في إستاكوا بواشنطن منتجا دعي «شمس منتصف الليل» ليُسْتعمل مبدئيا في المراكب الشراعية. وفيه سخّان أسطواني يبلغ عرضه 14 سنتيمترا وارتفاعه 43 سنتيمترا ويغذيه غاز الپروپان، وهو قادر على إنتاج 30 واط من القدرة الكهربائية، ويُستهدف للعمل كوسيلة لشحن البطاريات التي تُشَغِّل تجهيزات ملاحية وغيرها. ولا تقوم هذه الوحدة بتزويد الكهرباء فقط، بل إنها تعمل كمولد مساعد يَمُد قمرة المركب بالتدفئة. وهي تستخدم مشعا جزئي الانتقاء مصنوعا من ألومينات المغنيزيوم، وفيها خلايا ڤلطائية ضوئية من أنتيمونيد الگاليوم موصولة على التسلسل.
وعلى الرغم من أن ثمن جهاز «شمس منتصف الليل» هو 3000 دولار أمريكي، مما يجعله أغلى ثمنا من مولد ديزل تقليدي، فإنه يعمل بصمت، ويتوقع أن يكون موثوقا يعتمد عليه؛ لأنه لا يحتوي على أي أجزاء متحركة.
وقد يَجْتذب هذا المنتج أيضا مالكي مركبات الاستجمام وأصحاب المنازل النائية، الذين قد يجدون فيه وحدة مفيدة وأقل كلفة بشكل محسوس من المولد الڤلطائي الضوئي الحراري المصنوع من الشَّبَه (النحاس الأصفر) والفولاذ الذي لا يصدأ اللازمين في البيئة البحرية.
وعلى الرغم من تراجع أنظمة المشعات الانتقائية حاليا فإن الباحثين مازالوا يدرسونها، فقد موَّلت الوكالة DARPA القسم تيكوجن للطاقة الحرارية في وولثام بماساتشوستس ليخترع مولدا يعمل بالغاز ويكون مصدر الطاقة لاتصالات الجنود أو لتغذية الحواسيب المحمولة في ميادين القتال. أما في المجال المَدَني فتستطيع الوحدة ذاتها الاحتفاظ بموقد التدفئة المنزلي شغَّالا في حالة انقطاع التيار. وتستخدم الوحدات التي تبلغ قدرتها 150 واط أو 300 واط صفيفات من ألياف أكسيد الإتربيوم في الطول الموجي البالغ 980 نانومترا. وتتكيف هذه المشعات الانتقائية مع محاويل ضوئية سيليكونية. ويقوم مِرْشاح عازل متعدد الطبقات باسترجاع الطاقة غير المستعملة.
ماذا بعد كوّة العرض
في حين لاتزال الڤلطائيات الضوئية الحرارية في بدايتها ـ فهي تكاد تكون قد خرجت للتوّ من البحث المختبري ـ فإنها تحمل وعودا كبيرة للعديد من أسواق معروضات الكوى. وعلى المدى البعيد قد تؤدي التقانة دورا أوسع في إجمالي سوق الطاقة. فمصطلح «سوق معروضات الكوى» يمكن أن يكون مخادعا بحد ذاته؛ لأنه يوحي بصورة تضم بضعة مشترين تخدمهم صناعة كوخية cottageصغيرة. ومع أن العالم يطفح اليوم بأسواق معروضات الكوى التي تقدر ببلايين الدولارات إلا أن بدايات الكثير منها كانت متواضعة، وحتى <T. واطسن >(مؤسس الشركة IBM) وجد السوق في الأصل غير متاحة إلا لبضعة حواسيب، ولكنه قرر انتهاز الفرصة والمتابعة في جميع الأحوال.
وقد يشكل استرجاع الحرارة الصناعية الضائعة سوقا ضخمة للڤلطائيات الضوئية الحرارية. فالعديد من القطاعات الصناعية ـ صناعات الزجاج والألمنيوم والفولاذ وغيرها من المنتجات ـ تولد كميات هائلة من الحرارة أثناء عمليات إنتاجها، إذ تُقَدِّر صناعة الزجاج أن ثلثي الطاقة التي تستهلكها تنطلق بشكل حرارة ضائعة، قد تصل قدرتها إلى جيگاواط. ويحتمل أن تستخدم المحاويل الڤلطائية الضوئية الحرارية لتوليد الكهرباء من الحرارة الضائعة، فتتحقق بذلك وفورات هائلة في تكاليف الكهرباء. وثمة تطبيق آخر واعد اقترحته جامعة غرب واشنطن بشأن مركبة كهربائية هجينة تستكمل طاقتها من بطاريات كهربائية، تقدم قدرة تبلغ 10 كيلوواط مأخوذة من مولد ڤلطائي ضوئي حراري.
إن التمويل المخصص للڤلطائيات الضوئية الحرارية حاليًا يتراوح ما بين 20 و 40 مليون دولار كل عام. وهذا التمويل يتلقاه الباحثون للقيام بدراساتهم على أجهزة التحويل والمشعات وعلى إدماج مختلف المكوّنات في المولدات الشغّالة. ومع ذلك، تدل دراسة جديدة للسوق مَوَّلها المختبر NREL على أن المبيعات التجارية من الڤلطائيات الضوئية الحرارية قد تبلغ 5000 مليون دولار في عام 2005. وستأتي مداخيل هذه السوق الناشئة من الاستعاضة بهذه التقانة عن مولدات الديزل التي تقل قدرتها عن 2 كيلواط والمستخدمة في أسواق المرْكَبات والمراكب العسكرية والاستجمامية. ويمكن أن تؤدي الڤلطائيات الضوئية الحرارية إلى التوصل إلى حلول أكثر نظافة وفعالية وأقل كلفة لعدد من أسواق الطاقة البديلة. وربما تتاح الفرصة أخيرا للتقانة التي تمتد جذورها إلى الخمسينات لكي تثبت ذاتها عند منعطف الألفية الجديدة.
المؤلفان
Timothy J. Coutts – Mark C. Fitzgerald
عملا عدة سنوات على الطاقة المتجددة والتقانات المتصلة بها. يعمل كوتس (الذي درس تقانة الخلايا الشمسية منذ عام 1971) باحثا في المركز الوطني للڤلطائيات الضوئية بالمختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) في ولاية كولورادو التابع لوزارة الطاقة الأمريكية. وقد أتم دراسته في معهد البوليتكنيك بمدينة نيوكاسل البريطانية، حيث حصل عام 1968 على الدكتوراه في فيزياء الأغشية الرقيقة. وهو يتحمل في المختبر NREL مسؤوليات كبيرة في تقانتي الڤلطائيات الضوئية الحرارية والشمسية. أما فيتزجيرالد فهو رئيس شركة الاتصالات العلمية، وهي شركة استشارية في الڤلطائيات الضوئية بهاي لاندس راتش في ولاية كولورادو. وتمتد خبرته 19 عاما في تأمين الخدمات التعليمية حول الطاقة المتجددة.
مراجع للاستزادة
THE FIRST NREL CONFERENCE ON THERMOPHOTOVOLTAIC GENERATION OF ELECTRICITY. Timothy J. Courts and John P. Benner in AIP Conference Proceedings, Vol. 321. AIP Press, 1995.
THE SECOND NREL CONFERENCE ON THERMOPHOTOVOLTAIC GENERATION OF ELECTRICITY Edited by John P. Benner; Timothy J. Courts and David S. Ginley in AIP Conference Proceedings, Vol. 358. AT Press, 1996.
THE THIRD NREL CONFERENCE ON THERMOPHOTOVOLTAIC GENERATION OF ELECTRICITY Edited by Timothy J. Courts, Carole S. Allman and John P. Benner in AIP Conference Proceedings, Vol. 401. AIP Press, 1997.
Scientific American, September 1998
(*) Thermophotovoltaics
(1) converter: محوال، وهو يدل على تحويل الطاقة من الشكل الضوئي إلى الشكل الكهربائي، تمييزا عن محوّل transformer. (التحرير)
