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 .

التسيمة Ultracapacitors أو Supercapacitors هي تسمية ليست علمية، بل هي التسمية التجارية ، وهي التسمية التي أطلقتها كل من شركة NEC و شركة Pinnacle على هذا المنتج عند تصنيعه لأول مرة، بينما يبقى الاسم العلمي Electrochemical Capacitor المكثفات الكهروكيميائية هو الاسم الدقيق EC.
وتقنية المكثفات الفائقة ليست جديدة مثلها مثل العديد من التقنيات الحديثة ،
فهي معروفة منذ حوالي 100 عام، لكنها لم تدخل حيز التنفيذ الفعلي إلا منذ عام 1954، عندما قام العالم Becker بتطوير وسيلة تخزين طاقة باستخدام مفهوم الطبقة المضاعفة العازلة. وبحلول عام 1960، قام العالم Sohio بتطوير جهاز يخزن الطاقة باستخدام مفهوم الخلايا الكهركيميائية ذات الطبقة المضاعفة العازلة، إلا أن أول مكثف كهركيميائي EC فعال تم إنتاجه من قبل شركة NEC ، و ذلك في عام 1970.

التقنيات الحديثة التي تظهر غالبا يتم مقارنتها بالبطاريات ، كون هذه الاخيرة هي الاوسع انتشارا والاقدم من ناحية الاستخدام التجاري ويمتلك الانسان خبرة عمل طويلة معها.
تتشابه المكثفات الفائقة (Ultracapacitor ,Suppercapacitors ) والبطاريات في وظيفة تخزين الطاقة الكهربائية ولكن النمطان يختلفان في طريقة التخزين، فالبطاريات تحتاج وسطا كيميائيا لتخزين الطاقة ، والمكثفات تتطلب وسطا فيزيائيا ، وتتميز البطاريات بسعة تخزين اعلى للكهرباء وحجم أقل وجهد شبه ثابت حتى نهاية العمر الافتراضي للبطارية، الا انه من عيوبها آنها تتطلب معادن غير متوفرة بكثرة كالليثيوم مما يرفع التكلفة ويؤثر بالاستدامة ، كما انها تحتاج لوقت اطول لشحنها (حوالي 30 دقيقة لشحن 85٪ من سعتها) ، اما المكثفات فتتميز بسرعة شحن عالية (اقل من 30 ثانية) وتصنع من مواد متوفرة بكثرة وتكلفة اقل وعمر افتراضي شبه لا نهائي ( مليون دورة شحن) على هذا النحو ، فإن المكثفات قادرة على إطلاق الطاقة المخزنة بمعدل أعلى بكثير من البطاريات ، لأن العمليات الكيميائية تحتاج إلى مزيد من الوقت. ضف الى ذلك تعتبر المكثفات صديقة للبيئة مقارنة بالبطارية ويمكن اعادة تدويرها ، كما يمكنها ان تعمل بمجال حراري من -40 الى 65 درجة مئوية مقارنة بالبطاريات والتى تعمل بنطاق شحن من صفر الى 45 درجة مئوية، وهي آمنة تشغيليًا مقارنةً باحتمالية الانفجار والحريق لبطاريات الليثيوم، ولكن يبقى حجم المكثفات وسعتها عائقًا لهذه التقنية مقارنة بالبطاريات، ولكن التطورات الجديدة في علوم المواد مثل الأنابيب النانوية الكربونية والهوائيات ستسد الفجوة في المستقبل القريب.

انواع المكثفات الفائقة:
على أساس آلية تخزين الشحن الخاصة بها يتم تصنيفها إلى ثلاثة أنواع:

1- مكثفات إلكتروستاتيكية مزدوجة الطبقة:
يعمل هذا النوع على آلية تخزين الشحنة حيث يتم تخزين الشحنة فيزيائيا على سطح الأقطاب الكهربائية دون التسبب في أي تفاعلات كيميائية لا رجعة فيها عبر تكوين طبقة كهربائية مزدوجة.

2- المكثفات الزائفة (الفارادية):
تستخدم هذه الأجهزة أقطابًا مصنوعة من مواد نشطة لإعادة الأكسدة مثل أكاسيد المعادن والبوليميرات الموصلة.

3- المكثفات الهجينة:
تجمع بين النوعين السابقين ،وتتكون من أقطاب كهربائية ذات خصائص مختلفة تعتمد على الآليات الكيميائية والكهربائية.

مميزات المكثفات الفائقة وعيوبها:
المميزات:
-كفاءة طاقة عالية مقارنة ببطاريات الليثيوم وخلايا الوقود.
- سرعة في الشحن والتفريغ ، مع فاقد بسيط جدا من الطاقة .
- تحمل الحرارة العالية ، وكذلك المنخفضة جدا.
- عمر دورة طويل ، اي تتحمل عدد كبير من دورات الشحن والتفريغ.
عيوبها:
- تكلفتها العالية.
- الحاجة الى دوائر موازنة الجهد.
- العيب الرئيسي هو أن جهد الخلية منخفض جدًا. يتم توصيل خلايا متعددة في سلسلة لتحقيق جهد أكبر ، مما قد يخلق المزيد من المشكلات. ومع ذلك ، يمكن حل هذه المشاكل عن طريق تقنيات تسوية الحمل وتوازن الجهد.