تركيا تدخل النادي النووي.. أردوغان يفتتح "أق قويو" ويخطط ...
https://arabi21.com/story/1509139/%D8%AA%D8%B1%D9%83%D9%8A%D8%A7-%D8%AA%D8%AF%D8%AE%D9%84-%D8%A7%D9%84%D9%86%D8%A7%D8%AF%D9%8A-%D8%A7%D9%84%D9%86%D9%88%D9%88%D9%8A-%D8%A3%D8%B1%D8%AF%D9%88%D8%BA%D8%A7%D9%86-%D9%8A%D9%81%D8%AA%D8%AA%D8%AD-%D8%A3%D9%82-%D9%82%D9%88%D9%8A%D9%88-%D9%88%D9%8A%D8%AE%D8%B7%D8%B7-%D9%84%D8%A8%D9%86%D8%A7%D8%A1-%D9%85%D8%AD%D8%B7%D8%AA%D9%8A%D9%86-%D8%AC%D8%AF%D9%8A%D8%AF%D8%AA%D9%8A%D9%86

الصين تُركب أكبر توربين رياح بحرية في العالم.. يعادل 7 ملاعب كرة قدم - الطاقة
https://attaqa.net/2023/06/27/%D8%A7%D9%84%D8%B5%D9%8A%D9%86-%D8%AA%D9%8F%D8%B1%D9%83%D8%A8-%D8%A3%D9%83%D8%A8%D8%B1-%D8%AA%D9%88%D8%B1%D8%A8%D9%8A%D9%86-%D8%B1%D9%8A%D8%A7%D8%AD-%D8%A8%D8%AD%D8%B1%D9%8A%D8%A9-%D9%81%D9%8A-%D8%A7/

كنت قد وعدت قبل فترة ضمن عملية تحديث ما تبقى من المادة العلمية للقناة ان انشر عن موضوعين وجدتهما بالصدفة هما البطارية الرملية وقد نشرت موضوعها ، وتبقى الموضوع الثاني وهو الخلية الحرارية الفولتوضوئية Thermal Photovoltaic - TPV
وللعلم فقد واجهتني صعوبة في اعداد معلومات هذا النمط فهي شحيحة كونه نمطا جديدا والكلام عنه يغوص في كيمياء العناصر وأشباه الموصلات، كذلك تداخلت مع هذه التقنية كلما بحثت أكثر الكثير من التقنيات الناشئة التي تحت البحث والتطوير مثل الخلايا الشمسية الترادفيةTandem Solar وكذلك الخلايا الحرارية التي تعطي كهرباء اضافة الى حرارة لتسخين الماء او أي سائل . وفضلت عدم الخوض أكثر حتى لا نتوه ، وعلى ان نجعل التقنيات الجديدة في الأخير ان شاء الله.

الخلية الحرارية الفولتوضوئية TPV

المحتوى عن هذا النمط كما ذكرت مسبقا شحيح لانه نمط جديد وناشئ رغم ان فكرته قديمة ، شأن اغلب الاختراعات الحديثة ، حيث تكون فكرتها قديمة لكنها لم تجد الظروف المناسبة وقتها للتطوير والظهور في السوق بشكل تجاري ، وتظهر فجأة بعد التغلب على المعوقات مع تطور العلم ، لهذا فقد وجدت صعوبة في جمع معلوماته ، وحتى ماوجدته من معلومات كانت سردية لم ترافقها وسائل شرح بصرية مثل الفيديو والرسوم المتحركة ، كما لم تكن مشروحة بشكل مبسط ، ورغم هذا استطعت الخروج بهذه الخلاصة:

الخلايا الحرارية الكهروضوئية TPV عبارة عن محولات طاقة تقوم بتحويل الإشعاع الحراري إلى كهرباء عن طريق تحويل الطاقة الحرارية للشمس او لأي مصدر حرارة مهدرة إلى طاقة كهربائية عبر صمامات ثنائية كهروضوئية ( قد تكون الحرارة المهدرة مثلا حرارة ماء التبريد الخارج من المصانع او محطات الطاقة ..الخ)
هذه التقنية كما اسلفنا قديمة ، وأول من ابتكرها هو هنري كولم عام 1956م في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في الولايات المتحدة الأمريكية ، ويُشار ايضا إلى بيير أيجرين على نطاق واسع في عدة مصادر باعتباره مخترع TPV.

مكونات خلية TPV :
1. مصدر حرارة Heat Source ( الشمس أو وقود احفوري ، او حرارة مهدرة من المصانع ..الخ).
2. باعث Emitter
3. مرشح تصفية الاشعة Spectral Filter
4. خلية ضوئية شمسية Photovoltaic Cell

كيف تعمل؟
المبدأ الأساسي مشابه لمبدأ الخلايا الكهروضوئية التقليدية (PV) حيث يتم استخدام وصلة pn لامتصاص الطاقة الضوئية وتوليد وفصل أزواج الإلكترون / الثقب ، وبذلك يتم تحويل تلك الطاقة إلى كهرباء، ويتم تحويل الحرارة المنبعثة من مصدر الحرارة إلى إشعاع بواسطة الباعث ثم يتم ترشيحها بشكل انتقائي بواسطة المرشح (المرشح البصري). ينقل المرشح فقط إشعاع الطول الموجي المطلوب. ينتقل جزء الإشعاع إلى الخلية الكهروضوئية وينعكس باقي الإشعاع على الباعث. يقوم الصمام الثنائي الكهروضوئي بتحويل الفوتونات المرسلة بطاقات تزيد عن فجوة نطاق طاقة الصمام الثنائي إلى ناقلات شحن.
اي أن الطاقة الضوئية لا تتولد مباشرة من الضوء ، ولكن أيضا من الحرارة عبر الاشعاع المنبعث بواسطة مادة عند درجة حرارة عالية (يطلق عليها الباعث) . بهذه الطريقة يتم ايضا تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية.
اذا يحول نظام TPV الإشعاعات الحرارية من مصادر الحرارة المختلفة مثل احتراق الوقود أو حرارة النفايات الصناعية أو الطاقة الشمسية أو الطاقة النووية المركزة إلى كهرباء. اي لا تستخدم الشمس كمصدر للطاقة .

تعتمد الخلية الحرارية الكهروضوئية TPV على بعض فيزياء أشباه الموصلات الأساسية. تحتوي الذرات الموجودة في سبائك أشباه الموصلات على فجوات في النطاق ، أي المسافة بين غلاف تكافؤ الإلكترونات وشريط التوصيل. عندما يتم تنشيط الإلكترونات الموجودة في نطاق التكافؤ ، فإنها تشعر بالإثارة وتقفز من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل. ينتج عن هذه القفزة إطلاق للطاقة ، حيث يتم التحكم في الكمية الدقيقة للطاقة المنبعثة من خلال مسافة فجوة النطاق. بمعنى آخر ، يتم تحديد كمية الطاقة التي يتم إطلاقها من خلال مقدار الطاقة التي يحتاجها الإلكترون للقفز عبر فجوة النطاق.

كما ذكرنا في الأعلى ، هذه الخلايا لديها الكثير من القواسم المشتركة مع الخلايا الشمسية الموجودة على أسطح منازلنا ، ولكن لديها أيضًا بعض الاختلافات الرئيسية.
أحد الاختلافات الرئيسية هو المواد المصنوعة منها. تتكون الألواح الشمسية الموجودة على سطح منزلك من السيليكون ويتم ضبطها بحيث يكون لها فجوة نطاق محددة تحدد الطول الموجي للضوء الذي يمكن أن يتفاعل معه لإخراج إلكتروناته من موضعها وإرسالها إلى دائرة كهربائية. يتم ضبط جميع الخلايا الكهروضوئية ، بما في ذلك TPV ، لامتصاص الفوتونات في نطاق ضيق ، مما يعني غالبًا إهدار الضوء ذي الترددات العالية والمنخفضة.

فيديو توضيحي لفكرة الخلايا الحرارية الفولتوضوئية TPV

المزايا والعيوب :

توصف TPV احيانا بانها محركات حرارية تعمل على تحويل الحرارة الى كهرباء بدون أجزاء متحركة ودوارة (مثل التوربينات البخارية مثلا) .

المزايا:
-يمكن أن تعمل مع مصادر حرارة أعلى من تلك المستخدمة من قبل التوربينات ، ونطاقها من المصادر المحتملة واسع جدًا ، بما في ذلك الاحتراق والتفاعلات النووية والحرارة المهدرة, والحرارة المخزنة في نظام تخزين الطاقة الحرارية والإشعاع الشمسي عن طريق امتصاص الإشعاع المتوسط. كل هذه المصادر ، من حيث المبدأ ، أكثر موثوقية من طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية المولدة مباشرة من ضوء الشمس ، وكلاهما متقطع ، ويمكن ان وفقا لمطوريها ان تتعامل مع مصادر حرارة بين 1900 و 2400 درجة مئوية.
- يمكن أن تعمل بكفاءة في درجات حرارة عالية.
- قليلة الصيانة لعدم احتوائها على اجزاء متحركة او ملحقات ميكانيكية .
- يمكن دمجها في أنظمة الطاقة المتجددة لتخزين الشبكة الحرارية منخفضة التكلفة.
- تعتبر خلايا TPV مناسبة بشكل مثالي لاستخدامها في سياق صناعي ، على سبيل المثال لتوليد الكهرباء من الحرارة المهدرة المنبعثة أثناء إنتاج الفولاذ أو الزجاج والصناعات الاخرى ذات الحرارة المهدرة.
- يمكن أن تلعب دورا مهما في تدوير الحرارة المهدورة ورفع كفاءة تحويل الطاقة المعتمدة على الوقود الأحفوري.
- يمكن إضافة خلايا TPV إلى أنظمة التدفئة المنزلية لتوليد الكهرباء بشكل مشترك إلى جانب الماء الساخن. وبالتالي ، قد تقلل خلايا TPV من النفايات مما سيؤدي الى زيادة كفاءة أنظمة التدفئة المنزلية .
- يمكن استخدامها عندما تكون أشعة الشمس ضعيفة مثلا في الليل أو في النهار عندما تكون السماء ملبدة بالغيوم او ممطرة .
- يمكن استخدامها لاسترداد الحرارة المخزونة بواسطة انماط خزن الطاقة كحرارة (والتي مررنا على بعض انماطها من قبل) وإعادة تحويلها الى كهرباء .

MIT-Massachusetts Institute of Technology.
NREL-National Renewable Energy Laboratory (USA)

العيوب:
- تتسم حاليا بالتعقيد الكلي للنظام .
- تكلفتها عالية نسبيًا .
- لم تجد أنظمة TPV مدخلًا للتطبيقات الصناعية والاستهلاكية بعد، وتعد عملية التصنيع المطورة حديثًا من بعض الشركات خطوة أولى مهمة في فتح إمكانات السوق لهذه التكنولوجيا الواعدة جدًا.

كفاءتها :
تم تصنيع الخلايا الكهروضوئية بكفاءة تصل حتى 40٪ - وتتجاوز متوسط كفاءة توليد الطاقة القائمة على التوربينات - ويأمل الباحثون في المختبر الوطني الأمريكي للطاقة المتجددة ( NREL ) ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) في زيادة تحسين كفاءتها الى 50% .

الأثر البيئي:
التكنولوجيا هذه آمنة وحميدة بيئياً في دورة حياتها ، ويمكن أن يكون لها تأثير هائل على الحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون المنبعث من عملية إنتاج الكهرباء بالوقود الاحفوري.

المراجع لموضوع TPV:
Logo ar.solarsystemspace.com
https://ar.solarsystemspace.com/19225022-imec-significantly-reduces-cost-of-germanium-based-thermophotovoltaic-cells
https://www.hisour.com/ar/thermophotovoltaic-39626/amp/
https://gizmodo.com/mit-heat-engine-thermophotovoltaic-cell-1848825594
https://twobitdavinci.com/4488/thermo-photovoltaic-solar-cells-doesnt-run-on-sunshine/
https://encyclopedia.pub/entry/16433
https://physicsworld.com/a/thermophotovoltaic-cells-top-40-percent-efficiency/
https://newatlas.com/energy/breakthrough-tpv-cell-makes-more-power-from-heat-than-a-steam-turbine/

نواصل مع انماط خزن الطاقة ،
فبعد ان تطرقنا الى أهم الانماط المعروفة لخزن الطاقة ، وهي للتذكير :
-نمط التخزين بالضخ Pumped Hydro-electric Storage
-البطاريات بانواعها Battery Storage
-الخزن بواسطة ضغط الهواء Compressed Air Energy Storag
- الخزن عبر الهيدروجين المنتج من الماء في المحلل الكهربائي The Fuel Cell Energy Storage System (Hydrogen Storage)
- الخزن عبر تسييل الهواء Liquid Air Energy Storage (LAES)
ثم مررنا على نمط حديث ناشئء هو الخزن عبر بطاريات الرمل Sand Battery , نعود لنواصل مع نمطين اخيرين يتم ذكرها في بعض المصادر لكنها ليست باهمية الانماط الخمسة الاولى من ناحية كثافة الطاقة والانتشار وهما المكثفات الفائقة Ultracapacitors و الحذافة Flywheel .

ملاحظة: كثيرا ما نصادف مصطلح كثافة الطاقة Energy density  عند الحديث عن توليد وخزن الطاقة الكهربائية ، ووجدت انه من الافضل أن نعرفه ، فالمقصود به هنا هو كمية الطاقة الكهربائية (م.وات.ساعة) المولدة من او المخزونة في وحدة المساحة م2 او وحدة الحجم م3 ، أو وحدة الكتلة كجم . وهناك مصطلح آخر قد يسبب لبس مع كثافة الطاقة ، وهو كثافة القوة او القدرة  Power density , الفرق بين الاثنين يشبه الفرق بين الطاقةenergy  (م.وات.ساعة) والقدرة power (م.وات)، فنحن نقول ان مولدا ما قدرته (س) ميجاوات ، واذا اشتغل لمدة ساعتين فانه سيعطينا طاقة كهربائية مقدارها س x ٢ م.وات.ساعة .

6- المكثفات الفائقة Suppercapacitors, or Ultracapacitors :
٠من المؤكد ان الكثيرين قد سمعوا عن المكثفات capacitors التي لايخلوا منها أي جهاز الكتروني للقيام بتخزين وتفريغ الشحنات الكهربائية البسيطة داخل الدائرة لأداء وظيفة معينة ، والتي مكوناتها عبارة عن طرفي توصيل بالإضافة إلى لوحين متوازيين مفصولين بعازل يستخدمان في تخزين الشحنات الكهربائية.
لا تختلف المكثفات الفائقة كثيرا عن العادية ، الا انها تتميز بقدرتها على تخزين شحنات كبيرة جدا مقارنة بالعادية (في حين تصل سعة المكثف العادي إلى رتبة الميكرو فاراد، فإن سعة المكثف الفائق تصل إلى مئات الفارادات) ، وتصنع من رقائق معدنية (أقطاب كهربائية) من مواد معينة بينها عازل للفصل بين الأقطاب لعزل أيونات الإلكتروليت المتواجدة بين أقطابها ، ويدمج المكثف الفائق فكرتي المكثف العادي (تفريغ سريع للطاقة) والبطاريات القابلة لإعادة الشحن (خزن كمية طاقة أكبر) .

تتمتع البطاريات بكثافة طاقة energy density أعلى من المكثفات ، لكن المكثف لديه كثافة قوة power density أعلى من البطارية. هذا يعني أن البطاريات قادرة على تخزين المزيد من الطاقة ، لكن المكثفات يمكن أن تعطي الطاقة بسرعة أكبر بنفس الحجم (يمكن من هنا تمييز الفرق بين المصطلحين :كثافة الطاقة و كثافة القدرة) .
ماذا لو كنا نرغب في تخزين كميات كبيرة من الطاقة ، ولكننا نحتاج أيضًا إلى أوقات الشحن والتفريغ السريعة للمكثف؟ هنا يأتي دور المكثفات الفائقة .