خزن الطاقة الشمسية على شكل هيدروجين

يواصل العلماء بحثهم عن مصادر نظيفة للطاقة وبديلة للوقود التقليدي , وفي هذا المقال نوضح اخر ما توصل له العلماء في مجال طاقة الهيدروجين البديلة الغنية عن التعريف والتي من الممكن ان تحل مشكلة الوقود التقليدي وتزودنا بالطاقة النظيفة .

باستخدام خلية شمسية بسيطة وانود ضوئي مصنوع من أوكسيد المعادن , نجح العلماء من معهدي HZB و TU Delft في خزن ما يقرب من خمسة بالمئة من الطاقة الشمسية كيميائيا في شكل الهيدروجين. هذا هو الانجاز الاكبر, كما ان تصميم الخلية الشمسية أبسط بكثير من خلايا الحقن الثلاثي ذات الكفاءة العالية التي تعتمد على السيليكون غير المتبلور أو أشباه الموصلات المكلفة التي يتم استخدامها عادة لهذا الغرض.

يتم رش الأنود الضوئي، والذي يصنع من معدن أكسيد البزموت فانادات (BiVO4) بكمية قليلة من ذرات التنغستن على قطعة من الزجاج الموصل ويغطى بمادة غير مكلفة وهي كالسايت فوسفات الكوبالت.

ويوضح الدكتور رويل فان دي كرول رئيس معهد HZB لوقود للطاقة الشمسية: “نبدأ مع عنصر مستقر كيميائيا، وأكسيد معدني قليل التكلفة,مع إضافة خلية شمسية رقيقة مبنية على السليكون ، و- فويلا – التي انشأناها وهي فعالة من حيث التكلفة، وجهاز وقود شمسي عالي الاستقرار وعالي الفعالية ” ويقول “في الأساس، نحن جمعنا بين أفضل ما في العالمين”،.

وبالتالي تمكن الخبراء من تطوير نظام أنيق وبسيط بدلا من أستخدام ضوء الشمس لتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين. هذه العملية، تسمى التركيب الضوئي الاصطناعي، يسمح للطاقة الشمسية ليتم تخزينها في شكل الهيدروجين. ويمكن بعد ذلك أن تستخدم الهيدروجين كوقود إما بشكل مباشر أو بشكل الميثان ، أو أنه يمكن توليد الكهرباء في خلية وقود.

احد التقديرات التقريبية تبين القدرة الكامنة في هذه التكنولوجيا : هنا نوضح أداء الخلية الشمسية في ألمانيا والتي نحصل منها على ما يقرب من 600 واط لكل متر مربع، و 100 متر مربع من هذا النوع من النظم قادر نظريا على تخزين 3 كيلو واط من الطاقة في شكل من الهيدروجين في مجرد ساعة واحدة من أشعة الشمس. هذه الطاقة يمكن أن تكون متاحة بعد ذلك في الليل أو في الأيام الغائمة.

أكسيد المعادن كأنود ضوئي يمنع تآكل الخلايا الشمسية :

فان دي كرول وفريقه بدأ اساسا مع خلية رقيقة مبنية على السليكون والتي تم إضافة طبقة أكسيد المعادن عليها. هذه الطبقة هي جزء فقط من الخلية التي هي على اتصال مع الماء، وبمثابة الأنود الضوئي لتشكيل الأكسجين. وفي الوقت نفسه، فإنه يساعد على منع تآكل خلية السيليكون الحساسة , وفحص الباحثون بشكل منهجي جميع العمليات مثل امتصاص الضوء وفصل الشحنات، وتقسيم جزيئات الماء.

نظريا، كفاءة الطاقة الشمسية إلى الكفاءة كيميائية تصل إلى تسعة في المئة هو ممكن عند استخدام الأنود الضوئي المصنوع من البزموت فانادات، يقول فان دي كرول.” بالفعل، أنهم كانوا قادرين على حل مشكلة واحدة: استخدام وسيلة غير مكلفة وهي كالسايت فوسفات الكوبالت، أنها تمكنت من تسريع كبير في عملية تشكيل الأكسجين عند الانود الضوئي “.

رقم قياسي جديد: أكثر من 80 في المئة من الفوتونات المصطدمة بالخلية تسهم في التيار!

هنا يكمن التحدي الأكبر، ومع ذلك، كان الفصل فعال للشحنات الكهربائية داخل فيلم فانادات البزموت. قد تكون أكاسيد المعادن مستقرة ورخيصة، ولكن حاملات الشحنة لديها ميل لإعادة التجمع بسرعة. وهذا يعني أنها لم تعد متوفرة في تفاعل فصل المياه. الآن، فان دي كرول وفريقه اكتشفوا أنه يساعد على إضافة ذرات التنجستين لفيلم فانادات البزموت. ويوضح فان دي كرول “المهم هو أن نوزع ذرات ولفرام بطريقة محددة جدا بحيث يمكن إعداد حقل كهربائي داخلي، مما يساعد على منع إعادة التركيب”.

لهذا العمل، أخذ العلماء محلول الفاناديوم ولفرام البزموت ورشها على قطعة زجاجية ساخنة، وهذا يسبب محلول التبخر. عن طريق رش الولفرام مرارا بتركيزات مختلفة على الزجاج، ينشأ غشاء عالي الفعالية الضوئية بسمك 300 نانومتر.

ويقول فان دي كرول “نحن لا نفهم حتى الآن لماذا يعمل البزموت فانادات أفضل بكثير من أكاسيد المعادن الأخرى. لقد وجدنا أن أكثر من 80 في المئة من الفوتونات المصطدمة تساهم في التيار ، قيمة عالية بشكل غير متوقع و يسجل رقما قياسيا جديدا لأكاسيد المعادن”. التحدي القادم هو توسيع نطاق هذه الأنواع من النظم لعدة امتار مربعة بحيث يمكن أن نحصل على كميات اكبر من الهيدروجين.

ترجمة : Jamal Novelty
تصميم الصورة والمراجعة : EK

المصدر : http://www.sciencedaily.com/releases/2013/07/130729111927.htm