فناوری نانو در انرژیهای تجدیدپذیر انقلابی در انرژی خورشیدی و بادی برای فردایی سبزتر
- بیشتر بخوانید:راه حلی جدید برای حذف مواد شیمیایی مضر از محیط زیست
- بیشتر بدانید:فیلترکاغذی جلبکها میتواند جان انسانها را نجات دهد
فناوری نانو در انرژیهای تجدیدپذیر انقلابی در انرژی خورشیدی و بادی برای فردایی سبزتر
هر ساله برای برآوردن نیازهای رو به رشد فناوری در جامعه مدرن، به انرژی بیشتری نیاز است.
در حالی که سوختهای فسیلی هنوز منبع انرژی غالب هستند، تمرکز بیشتری بر فناوریهای برداشت انرژی تجدیدپذیر برای مقابله با تغییرات اقلیمی و گرمایش جهانی معطوف شده است.
مدتی طول کشیده است، اما منابع انرژی تجدیدپذیر زیادی وجود دارند که برخی از آنها مؤثرتر از سایرین هستند.
نانومواد، فناوریهای مختلف انرژی تجدیدپذیر را از دستگاههای مختلف ذخیرهسازی انرژی گرفته تا روشهای برداشت انرژی، بهبود بخشیدهاند.
آنها برای اطمینان از اینکه جهان در صورت تغییر به سمت یک جامعه عمدتاً مبتنی بر انرژی تجدیدپذیر، انرژی کافی دریافت میکند، کلیدی خواهند بود.
نانوفناوری همچنین به ایجاد معماریهای جدید برداشت انرژی - مانند برداشتکنندههای انرژی پوشیدنی، کمک میکند که در غیر این صورت با سایر مواد امکانپذیر نبود.
نانومواد مزایا و نوآوریهای متعددی را برای فضای انرژی تجدیدپذیر به ارمغان میآورند، اما بسیاری هنوز فکر میکنند که تغییر به نانوانرژی برای تجاریسازی در مقیاس بزرگ به اندازه کافی مقرون به صرفه نخواهد بود.
با این حال، این درست نیست. اغلب اوقات فقط مقدار کمی نانوماده برای ایجاد مزایای عملکردی مورد نیاز است. اگرچه نانومواد گاهی اوقات میتوانند گرانتر باشند، اما مقدار کم مورد نیاز در هر دستگاه یا سیستم مواد، هزینه بالاتر را جبران میکند.
بنابراین، در درازمدت، این پتانسیل وجود دارد که نه تنها انرژی بیشتری برای برآوردن نیازهای رو به رشد جهان برداشت شود، بلکه میتواند مقرون به صرفهتر نیز باشد.
اگر انرژی تجدیدپذیر بتواند به اندازه کافی کارآمد شود تا بخش عمدهای از انرژی جهان را تأمین کند، جهان ابزار انرژی بسیار مقرونبهصرفهای خواهد داشت (تا زمانی که بتوانیم همه آن را ذخیره کنیم که فناوری نانو نیز در ایجاد دستگاههای ذخیرهسازی انرژی کارآمدتر به آن کمک میکند) که به نگهداری نیروگاههای بزرگ و پرداخت هزینه استخراج و جابجایی سوختهای فسیلی وابسته نخواهد بود.
طبیعتاً، هزینههای نگهداری دیگری نیز در ارتباط با نگهداری فناوریهای انرژی تجدیدپذیر و همچنین هزینه تهیه و تولید مواد جدید برای سیستمهای ذخیره انرژی وجود خواهد داشت، اما فناوری نانو میتواند به ایجاد آیندهای پاکتر و مقرونبهصرفهتر کمک کند و امروز این کار را انجام میدهد.
در اینجا، به دو مورد از حوزههای کلیدی تجدیدپذیر رایج در جامعه امروز، انرژی خورشیدی و انرژی بادی و اینکه چگونه فناوری نانو بستری را برای بهبود وضع موجود این فناوریهای تثبیتشده فراهم میکند، نگاهی میاندازیم.
نقش محوری نانوفناوری در ارتقای بهرهوری و نوآوری سلولهای خورشیدی
سلولهای خورشیدی یکی از بزرگترین حوزههای انرژی تجدیدپذیر هستند که نانوفناوری در آنها تأثیر گذاشته است.
نانومواد برای بهبود ویژگیهای جذب، جداسازی بار، انتقال الکترون و راندمان تبدیل توان (PCE) سلولهای خورشیدی استفاده میشوند.
نانومواد همچنین به عنوان پوشش برای محافظت از ماژولهای خورشیدی مختلف در برابر گرد و غبار و ذرات معلق روی سطح رو به خورشید استفاده شدهاند.
خواص الکترونیکی و حامل بار عالی تعدادی از نانومواد برای افزایش اتصالات فتوولتائیک نیمهرسانای سلولهای خورشیدی استفاده شده است.
به همین ترتیب، بسیاری از نانومواد (به ویژه مواد معدنی) علیرغم اندازهشان، به شدت در برابر تخریب حرارتی، نوری و شیمیایی مقاوم هستند، بنابراین پوششهای محافظ عالی برای محافظت از سلولهای خورشیدی در برابر عناصر ایجاد میکنند.
نانومواد همچنین در پشت بسیاری از سلولهای خورشیدی فیلم نازک که در سالهای اخیر ظهور کردهاند، از جمله سلولهای خورشیدی قابل چاپ، قابل لوله شدن و انعطافپذیر، قرار داشتهاند.
نانومواد (و نسخههای نانومقیاس مواد حجیم) تنها دستهای از مواد هستند که به اندازه کافی قوی هستند تا به پلیمرهای انعطافپذیر اضافه شوند و خم شوند، در حالی که هنوز دارای خواص الکترونیکی هستند که برای عملکرد دستگاهها به اندازه کافی خوب هستند.
حوزههای زیادی وجود دارد که فناوری نانو در آنها سلولهای خورشیدی را نوآوری میکند، و نه فقط در سطح دانشگاهی.
تعداد انواع مورد استفاده سالانه از نظر مواد مورد استفاده افزایش مییابد. این شامل نقاط کوانتومی، نانوسیمها، سطوح نانوساختار روی مواد حجیمتر، گرافن و مواد دوبعدی و اخیراً، مواد پروسکایت لایه نازک (به دنبال موفقیت مواد پروسکایت حجیم) میشود.
برخی از نمونههای نوآوری تجاری در جهت استفاده از نانومواد در فضای سلولهای خورشیدی از Nanoco، Nanosolar، Great Cell Solar Italy و Oxford PV آمده است.
همچنین تعدادی سلول خورشیدی وجود داشته است که به دلیل خواص جذب الکترونیکی و نوری گرافن، به طور خاص با استفاده از گرافن تولید شدهاند. انتظار میرود در سالهای آینده تعداد بیشتری از آنها به صورت تجاری عرضه شوند، اما تولیدکنندگان فعلی ماژولهای تجاری شامل ZN Shine، Freevolt و Grafmarine هستند.
همچنین در یونان آزمایشهایی در مورد سلولهای خورشیدی گرافن-پروسکایت (GRAPE) در حال انجام است که در آن یک مزرعه خورشیدی ۴۰ ماژولی ساخته شده است.
پیشرفت فناوری نانو در طراحی و کارایی توربین
یکی دیگر از حوزههای بزرگ انرژی تجدیدپذیر، انرژی باد است زیرا این یکی دیگر از عوامل اساسی (در کنار نور خورشید) است که در سراسر جهان به وفور یافت میشود.
نانومواد برای کاربردهای کامپوزیت بسیار مفید هستند. برای دستیابی به عملکرد و مزایای استحکام مکانیکی مواد، به مواد زیادی نیاز ندارید و کامپوزیت نهایی معمولاً سبکتر از کامپوزیتهای ساخته شده با سایر مواد افزودنی است.
نانومواد برای توربینهای بادی استفاده میشوند تا کامپوزیتهای سبک و محکم برای پرههای توربین ساخته شوند.
ادغام نانومواد در کامپوزیتهای توربین به بهبود استحکام، سختی، مقاومت در برابر خستگی و دوام پرههای توربین کمک میکند که منجر به کاهش سایش و پارگی و زمان از کار افتادگی میشود به دلیل کاهش نیاز به نگهداری.
ادغام نانومواد در کامپوزیتهای توربین همچنین ارتعاشات را کاهش میدهد، سر و صدا را کاهش میدهد و پایداری کامپوزیتهای توربین را بهبود میبخشد.
این چیزی است که هنگام استفاده از نانومواد در کامپوزیتهای هوافضا نیز مشاهده میشود.
اما همه چیز در مورد خود نانومواد نیست. روشهای نانوساخت و نانوالگوسازی با ایجاد سطوح نانوساختار که نیروی پسا و تلاطم پرههای توربین را کاهش میدهند، به بهبود آیرودینامیک توربینهای بادی کمک میکنند.
تولید کامپوزیتهای سبکتر با نیروی پسای کمتر همچنین به این معنی است که پرههای توربین میتوانند راحتتر در هوا حرکت کنند (و به دلیل سبکتر بودن، سریعتر شروع به حرکت کنند) و در مقایسه با پرههای توربین سنگینتر و غیر سادهتر، تولید انرژی و بهرهوری انرژی را افزایش دهند.
یکی دیگر از جنبههایی که فناوری نانو در بخش انرژی باد نوآوری میکند، از طریق پوششهای پیشرفتهی محافظ است که پرههای توربین را از محیط محافظت میکند.
نانومواد ذاتاً در برابر بسیاری از محرکهای محیطی مقاوم هستند، بنابراین پوششهای محافظ عالی ایجاد میکنند.
بسیاری از پیشرفتها در طراحی توربین هنوز عمدتاً محدود به دانشگاهها و آزمایشها است.
پیشرفتها در این حوزه تا حد زیادی پشت درهای بسته نگه داشته شدهاند، اگرچه حدود 10 سال پیش مطالعهای توسط AlphaSTAR با همکاری دفتر اطلاعات علمی و فنی در ایالات متحده انجام شد که نویدبخش کاربردهای زیادی برای نانومواد در پرههای توربین بادی بود.
بیشترین فعالیت تجاری در زمینه پوششهای توربین بادی بوده است. در طول این سالها، چندین نانوپوشش ضد یخ، از جمله از Windgo و از همکاری صندوق توسعه منطقهای اروپا (ERDF) که شامل AIMPLAS و انرژیهای تجدیدپذیر Siemens Gamesa میشود، توسعه یافتهاند.
نتیجهگیری
نانوفناوری امکان نوآوریها و پیشرفتها را در فناوریهای مختلف انرژی پاک فراهم میکند، از جمله سیستمهای ذخیرهسازی انرژی که میتوانند انرژی تولید شده را ذخیره کنند.
پیشرفتهای روزافزونی در حال ظهور هستند که به سمت روشهای پایدار مهار و ذخیرهسازی انرژی سوق داده میشوند و مواد پیشرفته در قلب آن قرار دارند.
همه مواد پیشرفته مانند پروسکایتهای حجیم، نانوموادی نیستند که این نوآوری را هدایت میکنند، اما نانومواد و فناوریهای نانوساخت زیادی در نسل بعدی فناوریهای انرژی مورد استفاده قرار میگیرند، زیرا آنها راههایی برای کارآمدتر کردن دستگاهها با ورودی کم مواد ارائه میدهند.
تاریخ:1405/3/6
مهسا نعمتی
