افزایش بازده ترکیب انرژی خورشیدی و باتری

به گزارش خبرنگار خبرگزاری صدا وسیما؛کاهش قیمت باتری موجب می‌شود تلفیق باتری با سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر در دو زمینه ممکن شود.

در مورد یک، باتری به‌عنوان مخزن کوتاه‌مدت انرژی برای حل مشکل نوسانات کوتاه‌مدت در خروجی انرژی تجدیدپذیر عمل می‌کند.

در مورد دوم، باتری انرژی را برای زمانی که تولید انرژی تجدیدپذیر متوقف می‌شود مثلا درمورد انرژی خورشیدی در هنگام شب، ذخیره می‌کند. این رویکرد درمورد کاربردهای مستقل از شبکه، عملکرد بسیار خوبی دارد اما پیچیدگی‌هایی را به شکل سخت‌افزار اضافی برای تبدیل ولتاژ و جریان به سیستم اضافه می‌کند.

البته گزینه‌ی دیگری نیز وجود دارد، چیزی که سخت‌افزار باتری و فتوولتاییک را در یک دستگاه یکپارچه واحد با هم ادغام می‌کند که می‌تواند ظرفیت ذخیره‌ی عظیمی داشته باشد.

مشکل اصلی این رویکرد آن است که این دستگاه‌ها یا ناپایدار بوده یا راندمان بسیار پایینی دارند. اما گروهی بین‌المللی از پژوهشگران دستگاهی را ساخته‌اند که هم پایدار بوده و هم راندمانی قابل مقایسه با راندمان پنل‌های سیلیکونی دارد.

پژوهشگران چگونه سلول‌های فتوولتاییک و باتری‌ها را با هم ادغام می‌کنند؟

در ساده‌ترین حالت، الکترودی را می‌سازید که انرژی را از سیستم فتوولتاییک به الکترود باتری ببرد. اگرچه ممکن است ساده به‌نظر برسد، اما این ادغام به هیچ عنوان ساده نیست. از این گذشته، الکترودهای باتری باید با شیمی باتری سازگار باشند، برای مثال برای باتری‌های لیتیوم‌یون الکترودها درنهایت یون‌ها را ذخیره می‌کنند و باید ساختاری داشته باشند که امکان چنین فرایندی را فراهم کند.

بنابراین، پژوهشگران از شیمی کاملا متفاوتی استفاده کردند. باتری‌های جریانی از دو محلول شیمیایی به‌عنوان کاتد و آند استفاده می‌کنند (این دو محلول که توسط یک غشا از هم جدا شده‌اند با تبادل یونی طی فرایند اکسایش-کاهش تغییر حالت داده و جریان الکتریکی تولید می‌کنند. محلول شیمیایی موجود در مخزن آنولیت، طی فرایند اکسایش، الکترون و یون مثبت تولید می‌کند. یون مثبت ازطریق غشاء به مخزن کاتولیت می‌رود و الکترون‌ها نیز با حرکت به سمت کاتولیت باعث ایجاد جریان الکتریکی می‌شوند. از طرف دیگر محلول موجود در مخزن کاتولیت با دریافت الکترون و یون مثبت دچار کاهش می‌شود.

فرایند شارژ باتری جریانی نیز دقیقا برعکس چیزی است که توضیح داده شد.) باتری‌های جریانی دارای این مزیت هستند که کل ظرفیت ذخیره‌ی آن‌ها فقط به کل حجم محلولی که استفاده می‌کنید، بستگی دارد‌.

درحالی‌که شیمی‌های مختلفی در یک باتری جریانی قابل استفاده هستند، پژوهشگران با سیستم فتوولتاییک شروع کردند و از آن برای انتخاب نوع شیمی باتری استفاده کردند.

آن‌ها دقیقا از سخت‌افزار آماده‌ی مصرف، استفاده نکردند. سیلیکون شامل آن می‌شد اما بخشی از سلول خورشیدی دولایه بود. در این آرایش، یک ماده‌ی فتوولتاییک، مجموعه‌ای از طول موج‌ها را جذب می‌کند که به‌وسیله‌ی لایه‌ی دوم جذب نمی‌شوند. درمقابل، لایه‌ی اول نسبت‌به طول موج‌هایی که توسط لایه‌ی دوم جذب می‌شود، گذرا است. این حالت به سلول اجازه می‌دهد تا طیف وسیع‌تری از طول موج‌ها را جذب کرده و راندمان کلی آن افزایش پیدا کند. برای دستگاه آن‌ها، لایه‌ی پایینی از جنس سیلیکون بود.

بازده خورشیدی به الکتریسیته خروجی

سوابق گذشته درزمینه‌ی باتری جریانی خورشیدی، نشان‌دهنده‌ی بده‌بستان‌هایی است که این دستگاه با آن رو‌به‌رو بوده است. پژوهشگران از سنجه‌ای از بهره‌وری به نام بازده خورشیدی به الکتریسیته خروجی یا SOEE استفاده کردند. پربازده‌ترین دستگاه‌های جریانی خورشیدی دارای بازده ۱۴/۱ درصد بودند؛ اما به‌دلیل واکنش‌های میان باتری و مواد فتوولتاییک، طول عمر کمی داشتند. نمونه‌های پایدارتر که طول عمر آن‌ها بیش از ۲۰۰ ساعت بود، SOEE در محدوده‌ی ۵ تا ۶ درصد داشتند. مواد جدید دارای SOEE حدود ۲۱ درصد بودند (تقریبا به اندازه‌ی سلول‌های خورشیدی موجود در بازار) و عملکرد آن‌ها برای بیش از ۴۰۰ چرخه شارژ و تخلیه یعنی حداقل ۵۰۰ ساعت پایدار بود.

در‌حالی‌که ممکن است این مواد درنهایت پوسیده شوند، هیچ نشانه‌ای از این اتفاق در طول مدت آزمایش دیده نشد. هر دو مورد پیشرفت‌های بسیار قابل‌توجهی هستند.

بدیهی است ازآن‌جایی که هم باتری‌ها و هم سلول‌های فتوولتاییک به‌طور بالقوه برای چندین دهه می‌توانند دوام داشته باشند، ۵۰۰ ساعت نباید به‌عنوان یک آزمایش قطعی درنظر گرفته شود، خصوصا برای دستگاهی که برای تولید برق مستقل از شبکه پیشنهاد می‌شود.

اما اثبات این مساله که تطابق ولتاژ باعث چنین افزایش کارآرایی می‌شود، باید پژوهشگران را ترغیب کند تا طیف وسیع‌تری از باتری و شیمی‌های فتوولتاییک را شناسایی کنند که دارای راندمان بهبودیافته هستند. پس از این مرحله، پژوهشگران می‌توانند در بین آن‌ها به دنبال پیکربندی پایدار بگردنند. اینکه آیا همه‌ی این‌ها با هزینه کم و تولید انبوه سازگار خواهد بود یا نه سوالی مهم است.

اما در این مرحله از انقلاب انرژی‌های تجدیدپذیر، داشتن گزینه‌های بیشتر برای کاوش و بررسی اتفاق خوبی است.