الألواح الشمسية المقببة.. تقنية جديدة قد تعزز إنتاج الكهرباء النظيفة بمقدار الثلثين

محمد عبد السند

2024-02-26

0 1٬731

ما يزال تطوير الألواح الشمسية قضية تشغل بال العلماء والمتخصصين الذين يسعون لتعزيز كفاءة تلك التقنيات النظيفة؛ أملاً في زيادة كميات الكهرباء المستدامة، بما يُسهم في تحقيق أمن الطاقة ودعم جهود المناخ.

وتبرُز أهمية الدور المحوري الذي تؤديه الطاقة في وقت يمر فيه العالم بسلسلة من الأزمات العالمية؛ ما جعل التقدم التقني في مجال الطاقة المتجددة مسألة لا غنى عنها لتطور وازدهار البشرية.

وفي هذا الخصوص، بُذِلَت جهود جبارة لتعزيز كفاءة تحويل الطاقة في الخلايا الشمسية، وفق ما طالعته منصة الطاقة المتخصصة.

الألواح الشمسية المقببة

خلصت نتائج دراسة بحثية حديثة إلى أن بناء قباب صغيرة على سطح الألواح الشمسية من الممكن أن يعزز كفاءتها بواقع الثلثين، مع التقاط ضوء الشمس من زاوية أوسع، بحسب نتائج دراسة بحثية نشرتها مجلة جورنال أوف فوتونيكس فور إنرجي (Journal of Photonics for Energy).

وعادة ما تكون الألواح الشمسية مستوية؛ ما يزيد من كمية السطح المعرّض لضوء الشمس في أيّ وقت.

ويعمل هذا التصميم الابتكاري في أفضل حالاته عندما تكون الألواح الشمسية مائلة -عادةً- بين زاويتي 15 و 40 درجة، كي يحصل على أقصى قدر من الأشعة خلال اليوم.

صدفة نصف دائرية

نجح العلماء في كسر تلك النمطية في تصميم أسطح الألواح الشمسية، عبر تضمينهم خلايا نانوية دائرية من مادة السيليكا، ولديها القدرة على حبس وتدوير أشعة الشمس وتدويرها؛ بما يتيح للجهاز توليد كميات أكبر من الكهرباء النظيفة.

وبالنسبة للدراسة الجديدة، أجرى العلماء في جامعة عبد الله غول في تركيا عمليات محاكاة معقّدة لكيفية تعزيز النتوءات التي تأخذ شكل قبة للأسطح الشمسية العضوية.

ودرس فريق الباحثين الخلايا الشمسية الكهروضوئية المصنّعة بمادة بوليمر عضوية تحمل اسم (بي 3 إتش تي: آي سي بي إيه) (P3HT:ICBA)، تعمل بمثابة طبقة حيوية، فوق طبقة من الألومنيوم، وركيزة من مادة بولي ميثيل ميثاكريلات المعروفة اختصارًا بـ(بي إم إم إيه) (PMMA) -وهي نوع من أنواع بوليمرات اللدائن الحرارية المتميز بشفافيته المرتفعة- ومغطاة بطبقة واقية شفافة من أكسيد القصدير الإنديوم (آي تو أو) (ITO).

وهذا التركيب الذي يأخذ شكل "ساندويتش" يُثَبَّت عبر القبة بأكملها، أو "الصدفة النصف دائرية" كما يسميها العلماء، وفق ما اطّلعت عليه منصة الطاقة المتخصصة.

ويمثّل شكل الصدفة نصف الكروية قفزة كبيرة في تصميم الخلايا الشمسية؛ إذ إنه عبر استغلال قوة تحليل العناصر المحدودة والهندسة البنائية، يمهد البحث الطريق لمستقبل أكثر إشراقًا واستدامة، مدعومًا بالطاقة المتجددة.

ألواح شمسية -الصورة من wonderfulengineering

تحسين الكفاءة

أجرى الباحثون ما يُطلق عليه تحليل العناصر المحدودة ثلاثي الأبعاد إف إي إيه (FEA)، والذي يعمل -أساسًا- على تقسيم عناصر النظام المعقّد إلى أجزاء يمكن التحكم فيها، بحيث يمكن محاكاتها وتحليلها بشكل أفضل.

ويشير "إف إي إيه" إلى أسلوب عددي قوي يُستعمَل لمحاكاة وتحليل سيناريوهات العالم الحقيقي في مجالات مختلفة مثل الهندسة والفيزياء والميكانيكا الحيوية

وقياسًا بالأسطح المستوية، أظهرت الألواح الشمسية المقببة تحسينات في الكفاءة بنسبة 36% و66% في امتصاص الضوء، اعتمادًا على استقطاب الأشعة.

كما سمحت تلك النتوءات للضوء بالدخول من نطاق أوسع من الاتجاهات مقارنةً بالسطح المستوي؛ مما يوفر تغطية زاوية تصل إلى 82 درجة، وفق معلومات جمعتها منصة الطاقة المتخصصة.

تقنية تنتظر التطبيق

رغم أن فريق البحث لم يصمم -بعد- إصدارات حقيقية من تلك الألواح الشمسية، فإنه إذا أثبت هذا المبدأ العلمي جدواه تجريبيًا، فسيكون مفيدًا جدًا، ليس فقط للخلايا الشمسية على الأسطح، ولكن في الأنظمة التي تتعرض لظروف ضوء متغيرة باستمرار، مثل الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء.

والأجهزة القابلة للارتداء هي أجهزةٍ إلكترونيةٍ يمكن للإنسان ارتداؤها بصفة ملحقات، تكون ضمن الملابس أو مزروعة في الجسم أو حتى موشومة على الجلد.

وقال مؤلف الدراسة البروفيسور دويونغ هاه: "مع تحسين درجة امتصاص الضوء وخصائص متعددة الاتجاهات، ستكون الطبقات النشطة المقترحة على شكل صدفة نصف دائرية مفيدة للغاية في مجالات تطبيق مختلفة للخلايا الشمسية العضوية، مثل الأجهزة الطبية الحيوية، إضافة إلى تطبيقات مثل نوافذ توليد الكهرباء والصوبات الزراعية، وإنترنت الأشياء، من بين تطبيقات أخرى عديدة".

وفي مجال تقنيات الطاقة الشمسية، شهد العالم إحراز تقدم كبير على مختلف المستويات، بما في ذلك المواد والأجهزة والدوائر والتخزين والأنظمة، وكلها لها تأثيرات كبيرة في المشكلات المطروحة.

موضوعات متعلقة..