پژوهشگر جوان ایرانی با استفاده از یک ماده جدید موفق به بازیافت گرما از سلول های خورشیدی و افزایش راندمان انرژی تولیدی از این سلول ها شد.
به گزارش خبرگزاری دانا،دانش آموخته مهندسی شیمی گرایش طراحی فرآیند دانشگاه تربیت مدرس که اخیرا با راهنمایی دکتر 'سید مجتبی صدرعاملی' از پروژه کارشناسی ارشد خود با عنوان 'بازیافت گرما از سطح سلول های خورشیدی' دفاع کرد، جزییات این پروژه تحقیقاتی را با خبرنگار علمی ایرنا در میان گذاشت.
'سیدرضا موسوی' اظهار داشت: پنل های فتوولتائیک از انرژی پاک و تجدیدپذیر خورشید برای تولید برق استفاده میکنند و سه عامل اصلی شامل جنس سلول، شدت تابش اشعه خورشید و دمای عملیاتی پنل، بر راندمان این سلول ها موثرند.
وی با بیان این که افزایش دما در پنل فتوولتائیک منجر به کاهش بازدهی آن می شود، گفت: به طور کلی در سلول های خورشیدی که برای تولید برق مورد استفاده قرار می گیرند، حدود 80 درصد انرژی خورشیدی جذب شده، صرف تولید گرما می شود و در بهترین حالت، فقط می توانند 20 درصد انرژی جذب شده را به برق تبدیل کنند.
موسوی خاطرنشان کرد: البته این میزان تلفات انرژی خورشیدی مربوط به زمانی است که سلول های خورشیدی در دمای 25 درجه سانتیگراد قرار داشته باشند و به ازای افزایش هر یک درجه دمای محیط بیش از 25 درجه سانتیگراد، بین سه تا پنج دهم درصد افت راندمان خواهیم داشت.
وی ادامه داد: بنابراین در مناطقی که دمای سطح سلول های خورشیدی در آفتاب تابستان به بیش از 60 درجه سانتیگراد می رسد، 20 درصد انرژی خورشیدی جذب شده که قرار بود به برق تبدیل شود، افت بسیار زیادی پیدا می کند و عملا مقدار قابل توجهی از انرژی خورشیدی به صورت گرما هدر می رود.
این پژوهشگر جوان که از سال 1390 به دنبال چاره ای برای حل این مشکل برآمده است، گفت: در مطالعات اولیه مشخص شد که کار چندانی در این زمینه در دنیا انجام نشده و فعالیت های تحقیقاتی این حوزه به چند کار آزمایشگاهی، محدود می شود.
وی به برخی روش های رایج در دنیا برای حذف گرمای اضافی از سطح سلول های خورشیدی و مزایا و معایب آنها اشاره کرد و بیان داشت: استفاده از جریان طبیعی هوا و پس از آن استفاده از جریان اجباری به کمک فن، اولین ایدههای مطرح شده برای حل این مشکل بودند که جریان طبیعی هوا، تاثیر بسیار کمی در انتقال حرارت دارد و معایب زیادی همچون بالا بودن هزینه اولیه برای تجهیزاتی مانند فن و کانال کشی در مقیاس های بزرگ، هزینه جاری بالا برای تامین الکتریسیته فن و هزینه زیاد تعمیر و نگهداری آن دارد.
موسوی، استفاده از آب به صورت جاری روی سطح و یا به صورت کانال در پشت پنل را از دیگر روش های معمول برای خنک کردن سطح صفحات خورشیدی نام برد و گفت: این روش در مقایسه با روش جریان هوای اجباری، میزان انتقال حرارت بیشتری دارد اما هزینه اولیه آن به دلیل نیاز به پمپ بالاتر است و علاوه بر این، هزینه های تعمیر و نگهداری بیشتر، مصرف برق بیشتر و عمر کمتر به دلیل خوردگی تجهیزات از دیگر معایب این روش به شمار می آید.
وی با بیان اینکه راه حل دیگری که میتواند برای رفع این مشکل مطرح شود جذب گرمای اضافی از سطح سلول توسط مواد تغییر فاز است، توضیح داد: مواد تغییر فاز (Phase Change Material) موادی هستند که گرما را طی فرایند ذوب در خود ذخیره کرده و طی فرآیند سرمایش (انجماد) آزاد میکنند و یکی از مهم ترین ویژگیهای این مواد ثابت بودن دما حین انجام فرایند جذب و سرمایش است.
این فعال دانش بنیان ادامه داد: به عنوان مثال، ما یک دمای ثابت را درنظر می گیریم و یک ماده مناسب را انتخاب می کنیم که دمای ذوب آن درحدود دمای مورد نظر ما باشد، وقتی دمای محیط به دمای موردنظرمان رسید، ماده شروع به ذوب شدن می کند و انرژی به جای افزایش دما، صرف ذوب ماده می شود و به این ترتیب از هدررفت انرژی خورشیدی جلوگیری خواهد شد.
وی به مشکلات استفاده از این مواد در طرح تحقیقاتی خود اشاره کرد و گفت: تصمیم گرفتم در پژوهش خود از مواد تغییر فاز استفاده کنم ولی در مسیر اجرا با مشکلات زیادی روبه رو بودیم زیرا یک کار بسیار جدید بود که سابقه انجام آن در کشور وجود نداشت و از سوی دیگر، شرکتهای بین المللی تولید کننده مواد pmc به خاطر تحریم ها حاضر به فروش این مواد به ما نبودند.
موسوی تصریح کرد: با توجه به تنگناهای فراوان، خودمان دست به کار شدیم و طی پژوهشهای انجام گرفته برای یافتن ماده مناسب و موجود در کشور، پلی اتیلن گلیکول 1000 با دمای ذوب 35 تا 40 درجه سانتیگراد برای این امر انتخاب شد زیرا با توجه به اینکه دمای بهینه برای عملکرد سلول فتوولتائیک، 25 درجه سانتیگراد است، برای کنترل دمایی آن باید ماده ای با دمای ذوب 25 تا 30 درجه سانتیگراد مورد استفاده قرار می گرفت.
وی درباره تفاوت های این پروژه با دیگر روش های رایج به منظور خنک سازی پنل های فتوولتائیک در دنیا گفت: در پژوهش ما آزمایش خنکسازی سلول فتوولتائیک توسط مواد تغییر فاز و در شرایط جوی واقعی انجام شد درحالیکه آزمایشهای انجام گرفته پیش از این در مقیاس آزمایشگاهی و در شرایط مصنوعی (تابش توسط چراغ شبیه ساز خورشید و داخل آزمایشگاه) بود.
به گفته موسوی، ابعاد سلولهای مورد آزمایش گرفته پیش از این معمولا کمتر از 10 سانتیمتر گزارش شده اند درحالیکه ابعاد سلول مورد آزمایش در پژوهش وی، 50 در 60 سانتیمتر است.
نتیجه این طرح پژوهشی، کنترل دمایی سلول های فتوولتائیک و افزایش هشت درصدی راندمان تولید برق از سلولهای خورشیدی است که می توان از آن در نیروگاه های خورشیدی، عایق های هوشمند، صنعت ساختمان یا نساجی استفاده کرد.
این پژوهشگر ایرانی، صرفه جویی در مصرف انرژی، افزایش راندمان انرژی خورشیدی و کمک به حفاظت از محیط زیست را از جمله مزایای استفاده از این روش برشمرد و یادآور شد: استفاده از این روش در کشوری مانند ایران که اکثر روزهای سال، هوای آفتابی دارد از توجیه اقتصادی بالایی برخوردار خواهد بود.
پروژه تحقیقاتی 'بازیافت گرما از سطح سلولهای خورشیدی' در سال 1392 منجر به ثبت اختراع و کسب رتبه در جشنواره اختراعات بنیاد ملی نخبگان شده است و اکنون مراحل تکمیلی را می گذراند.
'سیدرضا موسوی' اظهار داشت: پنل های فتوولتائیک از انرژی پاک و تجدیدپذیر خورشید برای تولید برق استفاده میکنند و سه عامل اصلی شامل جنس سلول، شدت تابش اشعه خورشید و دمای عملیاتی پنل، بر راندمان این سلول ها موثرند.
وی با بیان این که افزایش دما در پنل فتوولتائیک منجر به کاهش بازدهی آن می شود، گفت: به طور کلی در سلول های خورشیدی که برای تولید برق مورد استفاده قرار می گیرند، حدود 80 درصد انرژی خورشیدی جذب شده، صرف تولید گرما می شود و در بهترین حالت، فقط می توانند 20 درصد انرژی جذب شده را به برق تبدیل کنند.
موسوی خاطرنشان کرد: البته این میزان تلفات انرژی خورشیدی مربوط به زمانی است که سلول های خورشیدی در دمای 25 درجه سانتیگراد قرار داشته باشند و به ازای افزایش هر یک درجه دمای محیط بیش از 25 درجه سانتیگراد، بین سه تا پنج دهم درصد افت راندمان خواهیم داشت.
وی ادامه داد: بنابراین در مناطقی که دمای سطح سلول های خورشیدی در آفتاب تابستان به بیش از 60 درجه سانتیگراد می رسد، 20 درصد انرژی خورشیدی جذب شده که قرار بود به برق تبدیل شود، افت بسیار زیادی پیدا می کند و عملا مقدار قابل توجهی از انرژی خورشیدی به صورت گرما هدر می رود.
این پژوهشگر جوان که از سال 1390 به دنبال چاره ای برای حل این مشکل برآمده است، گفت: در مطالعات اولیه مشخص شد که کار چندانی در این زمینه در دنیا انجام نشده و فعالیت های تحقیقاتی این حوزه به چند کار آزمایشگاهی، محدود می شود.
وی به برخی روش های رایج در دنیا برای حذف گرمای اضافی از سطح سلول های خورشیدی و مزایا و معایب آنها اشاره کرد و بیان داشت: استفاده از جریان طبیعی هوا و پس از آن استفاده از جریان اجباری به کمک فن، اولین ایدههای مطرح شده برای حل این مشکل بودند که جریان طبیعی هوا، تاثیر بسیار کمی در انتقال حرارت دارد و معایب زیادی همچون بالا بودن هزینه اولیه برای تجهیزاتی مانند فن و کانال کشی در مقیاس های بزرگ، هزینه جاری بالا برای تامین الکتریسیته فن و هزینه زیاد تعمیر و نگهداری آن دارد.
موسوی، استفاده از آب به صورت جاری روی سطح و یا به صورت کانال در پشت پنل را از دیگر روش های معمول برای خنک کردن سطح صفحات خورشیدی نام برد و گفت: این روش در مقایسه با روش جریان هوای اجباری، میزان انتقال حرارت بیشتری دارد اما هزینه اولیه آن به دلیل نیاز به پمپ بالاتر است و علاوه بر این، هزینه های تعمیر و نگهداری بیشتر، مصرف برق بیشتر و عمر کمتر به دلیل خوردگی تجهیزات از دیگر معایب این روش به شمار می آید.
وی با بیان اینکه راه حل دیگری که میتواند برای رفع این مشکل مطرح شود جذب گرمای اضافی از سطح سلول توسط مواد تغییر فاز است، توضیح داد: مواد تغییر فاز (Phase Change Material) موادی هستند که گرما را طی فرایند ذوب در خود ذخیره کرده و طی فرآیند سرمایش (انجماد) آزاد میکنند و یکی از مهم ترین ویژگیهای این مواد ثابت بودن دما حین انجام فرایند جذب و سرمایش است.
این فعال دانش بنیان ادامه داد: به عنوان مثال، ما یک دمای ثابت را درنظر می گیریم و یک ماده مناسب را انتخاب می کنیم که دمای ذوب آن درحدود دمای مورد نظر ما باشد، وقتی دمای محیط به دمای موردنظرمان رسید، ماده شروع به ذوب شدن می کند و انرژی به جای افزایش دما، صرف ذوب ماده می شود و به این ترتیب از هدررفت انرژی خورشیدی جلوگیری خواهد شد.
وی به مشکلات استفاده از این مواد در طرح تحقیقاتی خود اشاره کرد و گفت: تصمیم گرفتم در پژوهش خود از مواد تغییر فاز استفاده کنم ولی در مسیر اجرا با مشکلات زیادی روبه رو بودیم زیرا یک کار بسیار جدید بود که سابقه انجام آن در کشور وجود نداشت و از سوی دیگر، شرکتهای بین المللی تولید کننده مواد pmc به خاطر تحریم ها حاضر به فروش این مواد به ما نبودند.
موسوی تصریح کرد: با توجه به تنگناهای فراوان، خودمان دست به کار شدیم و طی پژوهشهای انجام گرفته برای یافتن ماده مناسب و موجود در کشور، پلی اتیلن گلیکول 1000 با دمای ذوب 35 تا 40 درجه سانتیگراد برای این امر انتخاب شد زیرا با توجه به اینکه دمای بهینه برای عملکرد سلول فتوولتائیک، 25 درجه سانتیگراد است، برای کنترل دمایی آن باید ماده ای با دمای ذوب 25 تا 30 درجه سانتیگراد مورد استفاده قرار می گرفت.
وی درباره تفاوت های این پروژه با دیگر روش های رایج به منظور خنک سازی پنل های فتوولتائیک در دنیا گفت: در پژوهش ما آزمایش خنکسازی سلول فتوولتائیک توسط مواد تغییر فاز و در شرایط جوی واقعی انجام شد درحالیکه آزمایشهای انجام گرفته پیش از این در مقیاس آزمایشگاهی و در شرایط مصنوعی (تابش توسط چراغ شبیه ساز خورشید و داخل آزمایشگاه) بود.
به گفته موسوی، ابعاد سلولهای مورد آزمایش گرفته پیش از این معمولا کمتر از 10 سانتیمتر گزارش شده اند درحالیکه ابعاد سلول مورد آزمایش در پژوهش وی، 50 در 60 سانتیمتر است.
نتیجه این طرح پژوهشی، کنترل دمایی سلول های فتوولتائیک و افزایش هشت درصدی راندمان تولید برق از سلولهای خورشیدی است که می توان از آن در نیروگاه های خورشیدی، عایق های هوشمند، صنعت ساختمان یا نساجی استفاده کرد.
این پژوهشگر ایرانی، صرفه جویی در مصرف انرژی، افزایش راندمان انرژی خورشیدی و کمک به حفاظت از محیط زیست را از جمله مزایای استفاده از این روش برشمرد و یادآور شد: استفاده از این روش در کشوری مانند ایران که اکثر روزهای سال، هوای آفتابی دارد از توجیه اقتصادی بالایی برخوردار خواهد بود.
پروژه تحقیقاتی 'بازیافت گرما از سطح سلولهای خورشیدی' در سال 1392 منجر به ثبت اختراع و کسب رتبه در جشنواره اختراعات بنیاد ملی نخبگان شده است و اکنون مراحل تکمیلی را می گذراند.
