energy-systems-and-sustainability
احتمالية عضوي في مجال الطاقة الموزعة التوليد
Table of Contents
How Organic Photovoltaics Work
وتسخير الفولطية الضوئية العضوية للأثر الفولطائي باستخدام الجزيئات العضوية شبه الموصلات - مركبات الكربون - البوليمرات التي يمكن أن تستوعب الضوء وتولد رسوما كهربائية، وعندما تضرب الصور طبقة أوفليكية نشطة، فإنها تبث الإلكترونيات من أعلى خلية مدارية جزائية محتلة إلى أدنى كتل مدارية غير مشغلة (LUMO)، مما يخلق أزواجاً ملوثة متجه إلى البيوتس.
(ب) إن الطبقات المتطورة في خلية من المواد الكهربائية - المتبرعة بالكهرباء هي عادة مزيج من المواد غير المحتوية على مبيدات الآفات - الإكليلية - الإكليلية - الإكليلية - الإكليلية - 19 في المائة من المواد غير الاصطناعية - السائلة - السائلة - السائلة - المضغوطة - البوليميرية - 3
ويشمل كومة الأجهزة كهربائياً سلوكياً شفافاً (أكسيد القصدير من القصدير في الأنديز، وجهاز نقل ثقوب مثل PEDOT:PSS، والطبقة النشطة، وطبقة نقل إلكترونية مثل ZnO أو TiO2، وكهرباء معدنية مثل الفضة أو الألومنيوم، وكل طبقة متوسطة تؤدي وظيفة حرجة: تحقيق الاستخدام الأمثل لاستخراج الشحنات، والحد من خسائر الصبغة، وتحسين الاستقرار.
المزايا التي تنطوي عليها المواد الفوتوغرافية العضوية
وتوفر الفولطيات العضوية عرضاً مختلفاً بشكل واضح عن القيمة بالمقارنة مع الخلايا الشمسية التقليدية للسيليكون، وتتيح مرونتها الميكانيكية لها أن تتوافق مع الأسطح المكشوفة: مواجهات البناء، وأسطح المركبات، وهياكل الدفيئة، بل والتطبيقات المدمجة في المنسوجات، وتفتح مسارات للنشر حيث لا يمكن أن تتحول وحدات الزجاج الصلبة، وتخفض فيها نسبة وزن المركبات المسطحية إلى أقل من 1 كيلو متر مربع.
(ب) عمليات التصنيع من البداية إلى الصفر التي ترتفع فيها نسبة الإنتاج وتدني كثافة رأس المال، وفي حين أن صناعة السيليكون تتطلب تنقية كثيفة للطاقة، وقطع الخيوط، وتجمع الخلايا في بيئات غرفة نظيفة، يمكن طبعها في ظروف مائية باستخدام التحلل من الطراز الأول مع معدلات الاستخدام المادي تتجاوز 90 في المائة.
كما أن المواد العضوية تُستخدم في تركيبات الاستيعاب من خلال هندسة الجزيئات، ومن خلال تعديل الهياكل الكيميائية للمانحين والمعترضين، يمكن للباحثين تصميم مضخات مائية تحتوي على خلايا محددة من الموجات - الشفافية، تستوعب الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء، وتُحدث خلايا ملوّنة مرئية للتكامل التركيبي، أو خلايا عالية الكفاءة تُفضَّل في ظروف الإضاءة الداخلية.
التحديات والبحوث الجارية
وعلى الرغم من المزايا الجبارة، تواجه شركات النفط المأهولة عقبات تقنية حقيقية تحد من الاعتماد التجاري الحالي، وتتراوح أوجه كفاءة تحويل الطاقة بالنسبة للوحدات التجارية عادة بين 5 و12 في المائة، مقارنة بنسبة 18 في المائة و22 في المائة بالنسبة لفرق السيليكون الاحتكاري، وتزداد فجوة الكفاءة في ظروف منخفضة السرعة - كثيرا ما تفوق قدرة الوصلات تحت تأثير الضوء الداخلي، ولكن تحت التضليل القياسي للشمس.
تمثل فترة الحياة والاستقرار البيئي الحاجز الرئيسي الثاني: فالهياكل الجزيئية العضوية تتحلل تحت التعرض المستمر للأكسجين والرطوبة والإشعاع فوق البنفسجي، وبدون كبسولات وقائية، يمكن أن تفقد الخلايا المكلورة من نوع OPV 20 إلى 40 في المائة من كفاءتها الأولية في غضون أشهر، ويطور الباحثون بنشاط أفلاماً عازلة، واستراتيجيات للاختراق، والمواد الثابتة بصورة جوهرية.
ويحدث الارتفاع من الخلايا المختبرية إلى وحدات الإنتاج تعقيدات إضافية، إذ أن أجهزة المناطق الصغيرة (التي تبلغ 0.1 سم2) تحقق كفاءة أعلى بسبب انخفاض عدد الخسائر في المقاومات وتشكيل الأفلام النظامية، ويجب أن تتنافس وحدات الترميز في المناطق الكبيرة (مئات الجيم2) مع تفاوتات في سميك الأفلام، وآثار الحواف، ومقاومة الوحدات المشتركة بين الصناعات مثل وحدة الهندسة المتطورة بنسبة 12 في المائة.
دور برامج الطاقة المتجددة في نظم الطاقة الموزعة
ويحول توليد الطاقة الموزعة إنتاج الكهرباء بعيدا عن محطات الطاقة المركزية إلى نقطة الاستهلاك، وتؤجل الألواح الشمسية المسطحة، والحدائق الشمسية المجتمعية، ونظم البطاريات التي تتخلل الغلاف الجوي، وتخفض الخسائر في نقل الطاقة (تبلغ نسبتها 5 في المائة إلى 7 في المائة على الشبكة)، وتؤجل استثمارات البنية التحتية للنقل بتكلفة باهظة، وتعزز قدرة الطاقة على التكيف.
المدن الكثيفة ذات الطلب العالي على الكهرباء ولكنها محدودة في السقف من الجنوب بالنسبة للألواح التقليدية يمكن تطبيق الـ OPVs على الأسطح العمودية: حوائط الستار، وأفلام النوافذ، وشوائب الشروق، وأجهزة التصوير المدمجة (BIPV) باستخدام مصممات الأشعة فوق البنفسجية لأنها يمكن أن تكون ذات نوعية شبه شفافة أو مصممة أو
يمكن لعمليات الإغاثة في حالات الكوارث أن تنشر صحائف قابلة للتداول وتحزم في أحجام صغيرة وتزن تحت 200 غرام لكل متر مربع، وتستعمل المنظمات الإنسانية لوحات مصفحة على مضخات مياه الطاقة، ومحطات شحن الأجهزة الطبية، ومعدات الاتصال في مخيمات اللاجئين.
تطبيقات التصويبات الفوتوغرافية العضوية
ولا تزال الصور الفوتاتوغرافية المدمجة للمبنى هي أكثر الأسواق شبه المتطورة بالنسبة للمصابيح العضوية. وتستبدل وحدات تجهيز العينات المدمجة بالزجاج المعماري التقليدي بينما تولد الكهرباء بمستويات الشفافية قابلة للتعديل من 10 في المائة إلى 60 في المائة عن طريق تعديل سميك طبقة التشغيل. وتشمل التطبيقات المدمجة المنتجات بطاقات الرف الإلكتروني ذات القدرة الفائقة في مخازن التجزئة، والتغليف الذكييف بالبدئيات المتكاملة، والملابس
تمثل منتجات المستهلكين المحمولة وغير الحادة جزءاً متزايداً آخر، إذ إن شحنات المواد العضوية القابلة للتلفزيون بالسماعات الذكية والملابس التي تزن أقل من نظيراتها القائمة على السيليكون ويمكن أن تُصب في حقائب الظهر والخيام والملابس، وفي المضاربة الفولطية المشعّة، تولد الكهرباء في حين تُنقل مواد غير مُنتَجَة ذات موجة كهربية من أجل نمو النباتات؛
وتستفيد نظم الطاقة المؤقتة والطارئة من سرعة الانتشار ومن انخفاض عبء اللوجستيات، ويمكن حزم صفيفة من طراز OPV إلى حاوية بحجم حقيبة، ونشرها عاملان في 15 دقيقة دون أدوات، وبالنسبة للأحداث أو مواقع البناء أو العمليات الميدانية التي لا تتوفر فيها شبكات أو لم تنشأ بعد، يوفر برنامج OPV القابل للتداول مصدراً صامتاً للطاقة لا يسمح بتجديدها مع تحول الاحتياجات.
التكامل مع حكام الدخان وخزن الطاقة
ويجب أن يدمج توليد OPV الموزع مع الهياكل الأساسية القائمة ونظم التخزين، لأن وحدات OPV يمكن أن تنتج طاقة DC بفولاذ متفاوتة تبعاً لكثافة الضوء ودرجة الحرارة، وتحتاج أغلفة تتبع نقاط القوة القصوى في الميكروينفيرات أو محولات DC-DC إلى الحد الأمثل لحصاد الطاقة.
وتكتسي تضافر الطاقة أهمية خاصة بالنسبة لنظم OPV المنتشرة في سيناريوهات متكاملة أو غير مدمجة، إذ أن البطاريات التي تستخدم الليثيوم أو البطاريات التدفقية ونظم التحلل الكهرومغناطيسي الهيدروجينية يمكن أن تخزن فائضاً في إنتاج المواد العضوية من أجل الاستخدام الليلي أو فترات الغطاء السحابي، إذ أن المتحولين إلى الاتصالات الإلكترونية يمكنهم من الاستجابة للطلب: فنظم إدارة المباني يمكن أن تنقل حمولات المياه إلى مواها بحيث تتوافق مع ما يقاس من متوافق مع متوسط العمر المتوقع مع ما يُجات
الأثر البيئي والاقتصادي
وتظهر دراسات تقييم دورة الحياة باستمرار أن للألغام المكلورة ذات تأثير بيئي أقل لكل كيلوواط ساعة مولدة مقارنة بفولطائيات السيليكون، وذلك أساسا بسبب انخفاض الاحتياجات من الطاقة التحويلية بدرجة كبيرة، وعادة ما تحقق الألواح الشمسية من عائد الطاقة خلال فترة تتراوح بين سنة واحدة و سنتين؛ ويمكن أن تصل المواد السائلة إلى مستوى كربون في غضون 3 إلى 6 أشهر بسبب تجهيز المواد المتزامنة للغرفة، وانخفاض المدخلات المادية، وصناعة الأيسرة.
وتطرح إعادة تدوير المواد الخاملة في نهاية العمر تحديات وفرصاً، إذ إن الكميات الصغيرة من المواد النشطة لكل وحدة (الجرامات في المتر المربع) لا تبرر استرداد المواد للعديد من البوليمرات، غير أن الكولود الشفافة تحتوي على مادة متعددة الفولطيوم، وهي عنصر شحذ مع إنتاج مركز، وتستكشف مجموعات البحوث بدائل الكهرومغناطيسية الخالية من مواد مثل مشط النيتروز الفضي، أو شبكات النسيجات الكربونية
وفي الميدان الاقتصادي، تدخل شركات النفط المأخوذة من طراز OPVs الأسواق التي تكافح فيها أفرقة السيليكون للمنافسة، حيث لا يمكن أن تضيع في المنازل أو تستهلك الطاقة الخفيفة التي من شأنها أن تهدر، وتدير أجهزة الاستشعار اللاسلكية اللاسلكية وتلغي تكاليف استبدال البطاريات، وفي أحد المشاريع التجريبية للبناء التجاري، يستعاض عن 000 2 جهاز استشعارات بيئية تعمل بالبطارية تعمل بالبطارية، مما يوفر الصيانة التي تبلغ 0.5 من موظفي التركيب الكامل.
التوقعات المستقبلية
:: وضعية فولتيكية عضوية على عتبة يمكن فيها للتحسينات في كفاءة المختبرات، والتوسع في التصنيع، والتحقق من صحة السوق، وقد شملت نسق الطرق الذي تنشره مجموعات البحوث الرئيسية، أوجه الكفاءة في مشاريع الطاقة الشمسية التي تصل إلى 15 في المائة بحلول عام 2027 و18 في المائة بحلول عام 2030، مدفوعاً بمستقبل غير نظيف، وبهيكلات خليطية بديلة، وبتحسين مستويات الكفاءة، مقترنة بنظم توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية إلى 0,0
ويمكن أن يؤدي ظهور نموذجين صناعيين مستجدين إلى تسريع انتشار OPV، الأول هو التصنيع الهجين: الجمع بين الترسبات المكنسة لطبقات نقل الشحنات الدقيقة مع الطباعة للطبقة العاملة والكهرباء، ويحقق هذا النهج كفاءة أعلى من الخلايا المطبوعة بالكامل مع الحفاظ على مزايا الصنع على جميع الطرقات، أما النموذج الثاني فهو إلكترونيات قديمة، حيث تُدمج خلايا OPV في الأثاث البلاستيكي خارج النسيج أثناء الجيل.
وسيؤدي دعم السياسات وتوحيدها دورا في التسويق، إذ أن مدونات البناء في عدة بلدان أوروبية تشمل الآن متطلبات الاستعداد الشمسي في مجال التشييد الجديد، ويمكن لمنتجات البتروفيلات التي تستخدم تكنولوجيا OPV أن تلبي تلك المتطلبات مع الامتثال للمبادئ التوجيهية الجمالية للمقاطعات التاريخية أو المباني المحمية بالتصميم، كما أن بروتوكولات الاختبار الموحدة الخاصة بالأداء المنخفض السرعة، وقابلية الارتفاع المرن في استخدام تكنولوجيا البرمجيات الخارجية يجري تطويرها من خلال الأسواق الدولية
وتحتاج مشهد الطاقة الموزع إلى تكنولوجيات شمسية متنوعة لتواكب مختلف سياقات النشر، وستستمر لوحات السيليكون في السيطرة على المنشآت المفتوحة النطاق ذات النطاقات العامة للمستقبل المنظور، وتصبح التكنولوجيا الفلكية العضوية، بمرونتها، وقلة وزنها، وإمكانيات التكامل المعماري، والأداء المنخفض الضوء، وسد الثغرات التي يتركها السيليكون: التطبيقات المدمجة والمتكاملة مع المنتجات، وتجميع الطاقة الكهربائية المتطورة، والكهربائية.