انرژی خورشیدی: قابلیت های جدید برای خدمات اضطراری

یک آتش کمی بالاتر از شهرک لیک‌کانتی کالیفرنیا آغاز می‌شود و به سرعت گسترش می‌یابد. بیش از ۲۰۰ پرسنل و تجهیزات آتش‌نشانی به کار افتادند تا بالاخره آتش مهار شد. عاقبت آن: بیش از ۷۰۰ کیلومترمربع در آتش سوخت. با بیش از 1.5 بیلیون دلار زیان اقتصادی، این آتش یکی از پرهزینه‌ترین و بزرگترین آتش‌سوزی‌های تاریخ آمریکا بود. چهار شهروند فوت کردند و چهار آتش‌نشان به شدت آسیب دیدند. هر سال، بیش از ۱۰۰ هزار آتش‌سوزی گسترده در آمریکا رخ می‌دهد، که می‌توانند هر پنج دقیقه دو برابر شوند. برای آتش‌سوزی‌های گسترده، همچون هر وضعیت اضطراری دیگر، تشخیص زود هنگام و واکنش سریع، کلید مهارسازی است.

انرژی خورشیدی به کمک می‌آید

گرچه ابزارهای بسیاری برای تشخیص زودهنگام وجود دارند، اما دشوار است که از همین ابزارها در ناحیه‌های بسیار بزرگ یا دورافتاده که وقایعی همچون آتش‌سوزی گسترده رخ می‌دهد، استفاده نمود. تشخیص آتش‌سوزی‌های گسترده، مشخصا دشوار است چون ممکن است در هر جایی و در هر زمان رخ دهند. با این وجود، اگر بتوان از برخی از این ابزارهای موجود فعلی، همچون حسگرهای دود برای ناحیه‌های دورافتاده‌ی وسیع استفاده کرد، می‌توان احتمال تشخیص زودهنگام را افزایش داد. بزرگترین مانع در برابر استقرار این ابزارها، قابلیت روشن نگه داشتن آنهاست. برای تامین انرژی این ابزارها، نیاز به یک منبع انرژی داریم که بتواند سال ها بدون نیاز به نگهداری دوام بیاورد. باتری به تنهایی راه‌حل این را فراهم نمی‌کند، و از این رو باید به سمت منابع انرژی تجدیدپذیر روی بیاوریم. قابل‌حمل‌ترین و قابل‌اتکاترین این منابع انرژی، انرژی خورشیدی است.

انرژی خورشیدی چیست؟

انرژی خورشیدی یک واژه‌ی کلی برای هر نوع ماده‌ای است که نور خورشید را دریافت می‌کند و نور را به انرژی قابل‌استفاده تبدیل می‌کند. به طور فنی‌تر، این مواد به عنوان فتو‌ولتاییک شناخته می‌شوند. در سال ۱۹۵۴، آزمایشگاه بل اولین سلول خورشیدی کاربردی را با استفاده از سیلیکون به عنوان ماده فتوولتاییک ابداع کرد. سیلیکون در عمده‌ی سلول‌های خورشیدی/فتوولتاییک مورد استفاده قرار می‌گیرد، و اینها اغلب به صورت پنل‌های بزرگ بر روی سقف ساختمان‌های تجاری و مسکونی سرهم‌بندی می‌شوند. این فناوری خورشیدی همگانی، عموما به عنوان مکمل شبکه برق استفاده می‌شوند. انرژی خورشیدی مبتنی بر سیلیکون سنتی، فراوان و نسبتا ارزان است. اما، بزرگ و سنگین است، و خروجی الکتریکی کم تا متوسطی فراهم می‌کند. در کل، انرژی خورشیدی مبتنی بر سیلیکون برای تامین انرژی ابزارهای دورافتاده، همچون آنهایی که برای تشخیص زودهنگام و واکنش سریع برای خدمات اضطراری لازم است، کاربردی نیست.

شکل: هواپیماهایی همچون AV Puma به آسانی قابل‌استقرار هستند و می‌توانند با اضافه نمودن انرژی خورشیدی، تمام روز در هوا بمانند.
نوع جدیدی از انرژی خورشیدی
برای تامین انرژی حسگرهای از راه دور کوچک یا هواپیماهای بدون سرنشین، نیاز به یک منبع انرژی خورشیدی داریم که کوچک، سبک، و دارای خروجی توان بالا باشد. یکی از بهترین مواد فتوولتاییک روی زمین، گالیوم آرسنید (GaAs) است. در سال ۱۹۷۰، اولین سلول خورشیدی GaAs توسط ژورس آلفرو در روسیه تولید شد. GaAs برتری‌های بسیاری نسبت به سایر مواد دارد: به طور طبیعی در اکثر محیط‌ها بی‌اثر و ارتجاعی است، و دارای تراکم توان بسیار بالا است (توان بالاتر بر روی سطح برابر). عملکرد فوق‌العاده GaAs بالافاصله مشخص بود، ولی این ماده یک اشکال جدی داشت: هزینه. تولید GaAs نزدیک به ۲۰۰ برابر گران‌تر از سیلیکون بود. علاوه بر این، شکل سنتی آن نیز همچون انرژی خورشیدی مبتنی بر سیلیکون، بزرگ و سنگین است. روش‌هایی برای کاهش وزن GaAs سنتی وجود دارد، اما این روش‌ها تنها هزینه تولید نهایی را افزایش می‌دهند. در نتیجه، GaAs در ۴۵ سال گذشته منحصرا در فضا مورد استفاده قرار گرفته است. باز هم، به علت هزینه و وزن بالا، GaAs سنتی برای تولید انرژی راه دور کاربردی نیست. اما اگر روشی وجود داشت که از تمام مزیت‌های GaAs بهره بگیرد، و فاقد ایرادات آن باشد، چه؟ خوشبختانه، چنین راه‌حلی هم‌اکنون نیز وجود دارد.
در دهه ۱۹۸۰، پروفسور فیزیک‌دان، الی یابلونویچ، تکنیکی را ابداع کرد که لایه‌های نازکی از GaAs را از ویفرهای گران GaAs جدا کند. با جدا کردن لایه‌های نازک، فیلم GaAs تمام خصوصیات فناوری‌های خورشیدی GaAs سنتی را حفظ نمود، ولی ویفر آن می‌توانست برای صرفه‌جویی در هزینه، دوباره مورد استفاده قرار گیرد. فیلم‌های حاصل بسیار نازک و انعطاف‌پذیر بودند. امروزه، این فرآیند به نام جداسازی هم‌بافته یا ELO به طور مخفف شناخته می‌شود.
یکی از شرکت‌هایی که اکنون از فرآیند ELO بهره می‌گیرد و این محصولات خورشیدی فیلم نازک GaAs را تولید می‌کند، Alta Devices (با بنیان‌گذاری یابلونویچ)، مستقر در سانی‌ویل کالیفرنیا است. گانگ‌هی، مدیر ارشد فناوری Alta Devices ، دیدگاه خود را درباره GaAs نازک، اینگونه بیان می‌کند: «آنچه که این فناوری را آنقدر ویژه می‌کند، این است که بهینه‌ترین مواد در کاربردهای خورشیدی را ترکیب می‌کند و در یک قالب نازک و سبک قرار می‌دهد. این ترکیب، آن را برای رده‌ی جدیدی از کاربردها که توسط فناوری‌های خورشیدی معمول پوشش داده نمی‌شدند، مناسب می‌سازد.» سلول خورشیدی فیلم نازک GaAs، با افزایش طول عمر قابل‌استفاده محصول، ارزش قابل‌توجهی به محصولات موجود اضافه می‌کند. سلول‌های خورشیدی می‌توانند به حسگرهای موجود نوری، فروسرخ، گاز، و دود افزوده شود. این یعنی هزاران عدد دستگاه تشخیص می‌تواند در ناحیه‌های حادثه‌خیز قرار داده شود، و بدون نیاز به مراقبت رها شود.

شکل: درحالیکه فناوری‌های خورشیدی سنتی خشک هستند، فناوری‌های جدید می‌توانند نازک، سبک، و انعطاف‌پذیر باشند، که آنها را برای رده‌ی کاملا جدیدی از کاربردها ایده‌آل سازند.

ترکیب فناوری خورشیدی جدید با ابزارهای جدید

GaAs فیلم نازک می‌تواند ارزش بالایی به ابزارهای جدید در حال توسعه برای خدمات اضطراری همچون هواپیمای بدون سرنشین بیافزاید. در اواخر سال ۲۰۱۴، ناسا قراردادی با خدمات آبزیان و حیات وحش وزارت کشور آمریکا امضا کرد، تا هواپیماهای بدون سرنشین کوچک را برای تشخیص آتش‌های بوته و جنگل آزمایش کند. گرچه نتایج این آزمایش‌ها تاکنون منتشر نشده است، مدیر پناهگاه باتلاق افسرده کننده بزرگ ایالت ویرجینیا، کریس لویی امیدوار است که « … پلتفرم‌های هوایی بدون سرنشین و قابلیت آنها برای ارائه یک جایگزین امن‌تر و اقتصادی‌تر برای نظارت بر نواحی مورد علاقه احتمالی … و همچنین کاهش زمان تشخیص آتش‌سوزی‌های در حال پیدایش … می‌تواند میلیون‌ها دلار از پول مالیات‌دهندگان صرفه‌جویی کند … » این هواپیمای بدون‌سرنشین مشخص، از دوربین‌های تصویری و فروسرخ برای تشخیص آتش‌سوزی‌ها استفاده می‌کند. با این وجود، زمان فعلی پروازها، محدود به یک ساعت است، که هم محدوده و هم کاربردپذیری هواپیما را محدود می‌کند. اگر این هواپیما از سلول‌های خورشیدی GaAs فیلم نازک بر روی بال های خود استفاده کند، می‌تواند احتمالا محدوده پروازش را چهار برابر نماید، که آن را برای نواحی گسترده از زمین که آتش‌سوزی‌های بزرگ معمولا آغاز می‌شوند، گزینه بهتری می‌نماید.

نگه داشتن حسگرها بر روی انرژی خورشیدی

فناوری جدید دیگری که از افزودن GaAs های فیلم نازک سود خواهند برد، شبکه‌های حسگر بی‌سیم (WSN) هستند. WSN حسگرهای مستقل توزیع‌شده مکانی هستند که معمولا شرایط محیطی را نظارت می‌کنند. هر یک از حسگرها به جمع‌آوری داده می‌پردازد و اطلاعات را به یک هاب مرکزی ارسال می‌کنند، که در آن داده‌های شبکه حسگر ترکیب می‌شود. این داده‌ی مجتمع شده سپس برای ساختن تصویری از محیط تحت نظارت استفاده می‌شود. این فناوری بر هزینه کم و مصرف انرژی پایین تاکید دارد، و استفاده از انرژی خورشیدی را برای روشن نگاه داشتن آنها ترویج می‌کند. به عبارت دیگر، شبکه‌ای از حسگرها می‌تواند در نواحی در معرض آتش‌سوزی قرار داده شود، تا شانس تشخیص زودهنگام را افزایش دهد. اگر آتش‌سوزی گسترش یابد، شبکه قادر خواهد بود که حرکت آن را از طریق مجموعه‌ی شرایط محیطی دنبال کند. در نهایت، ترکیب دستگاه‌های WSN با سلول‌های خورشیدی GaAs فیلم نازک، به آنها اجازه می‌دهد تا برای مدت‌های بسیار طولانی بدون نیاز به تعمیر یا مراقب رها شوند.

نتیجه‌گیری
تصور کنید اگر تیم واکنش اضطراری در لیک‌کانتی، کالیفرنیا، شبکه‌ای از ابزارهای آتش‌نشانی از راه دور در اختیار داشتند. هزاران عدد از این حسگرهای زمینی قادر به تشخیص تغییرات محیطی، همراه با هوایپماهای بدون‌سرنشین کوچک گشت بر فراز آسمان با دوربین‌های نوری و فروسرخ، در جستجوی آتش. تمام اینها توسط سلول‌های خورشیدی GaAs فیلم نازک امکان‌پذیر شده و از آن نیرو می‌گیرند. چقدر از این تخریب را می‌شد از طریق تشخیص زودهنگام و نگاشت قابل‌پیش‌بینی آتش جلوگیری نمود؟ گرچه نمی‌توان گذشته را تغییر داد، ما قطعا در حال ورود به دورانی هستیم که WSN و فناوری‌های بدون سرنشین در حال همگرایی هستند، تا خدمات اضطراری را با استفاده از ابزارهای جدید برای کمک به رویدادهای دورافتاده فراهم کنند، که همگی به یمن سلول‌های خورشیدی GaAs فیلم نازک امکان‌پذیر شده و از آن انرژی می‌گیرند.

برای اطلاعات بیشتر، به www.altadevices.com مراجعه کنید.

نویسنده:‌ راب پارنتی
منبع:‌ mdmpublishing