فريق بحثي يطور تقنية جديدة لتحسين كفاءة الطاقة الشمسية

يسعى العلماء إلى تطوير تقنيات جديدة تُسهم في استغلال أشعة الشمس بهدف الاعتماد عليها مصدرا للطاقة المتجددة، الأمر الذي يغنينا عن استخدام الوقود الأحفوري (البترول والغاز والفحم) الذي أوشك على النفاد، ويسهم في الحفاظ على البيئة والحد من التغيرات المناخية الضارة.

وقد استطاع فريق بحثي من جامعة هيوستن التوصل إلى تقنية متقدمة تساعد على تطوير "الخلايا الشمسية الحرارية" (Solar thermophotovolatics) كي تتمكن من تحصيل المزيد من الطاقة الشمسية وتخزينها، ما يعني زيادة معدل إنتاج الطاقة الكهربائية. ونشرت نتائج تلك الدراسة في دورية "فيزيكال ريفيو أبلايد" (Physical Review Applied).

وطبقا للبيان الصحفي المنشور في الثالث من تشرين الأول الحالي بموقع "يوريك ألرت" (Eurekalert)، فسوف تسهم تلك الدراسة في الحد من القيود الحالية التي تمنع تلك الخلايا من إنتاج أعلى قدر من الطاقة، كذلك ستمهد الطريق إلى استغلال الطاقة الشمسية على مدار اليوم.

وتعد تقنية الخلايا الشمسية الحرارية من التقنيات المتطورة لتوليد الطاقة عبر استغلال الطاقة الشمسية، وهي تضم "الخلايا الكهروضوئية" (Photovoltaic cells) التقليدية التي تمتص الفوتونات من أشعة الشمس وتحولها مباشرة إلى طاقة، إلى جانب جزء إضافي يمتص أشعة الشمس بالكامل مُصدرا حرارة تتحول لاحقا إلى فوتونات.

وعلى الرغم من تطور تلك التقنية عن سابقاتها، فهي لا تزال غير قادرة على استغلال الطاقة الشمسية المتاحة بالكامل، ما يؤثر في كمّ الطاقة المولد عبرها.

وللتعرف على كيفية تحسين إنتاجية تلك التقنية، أجرت الجزيرة نت حوارا عبر الإيميل مع البروفيسور "بو زاو"، الأستاذ المساعد بقسم الهندسة الميكانيكية بجامعة هيوستن، والمشرف على البحث، والذي يشير إلى أن الحد الأقصى لـ"كفاءة الخلايا الشمسية الحرارية" (STPV) الحالية لاستغلال الطاقة الشمسية؛ لا يتعدى نسبة 85.4%، بينما يبلغ الحد المثالي نسبة 93.3%، وينتج هذا النقص عن خاصية "التبادلية" (Reciprocity) التي تمتلكها الخلايا الحالية.

ويعني مصطلح "التبادلية" أن أحد أجزاء نظام الخلايا الشمسية الحرارية المسمى "الطبقة المتوسطة" (Intermediate layer) يمتص قدرا معينا من الطاقة الشمسية، وفي نفس الوقت تُعيد هذه الطبقة بعث جزء من تلك الطاقة إلى الفضاء، الأمر الذي يؤدي بالضرورة إلى فقدان ذلك الجزء من الطاقة، ما يعني عدم قدرة الخلايا على حصد الكمية المثلى من الطاقة الشمسية.

وقد دفع ذلك الأمر البروفيسور زاو، وسينا جافاري الباحث الرئيس للدراسة، إلى محاولة تطوير نظام "الخلايا الشمسية الحرارية" عبر تعديل طريقة عمل طبقته الوسطى.

تقنية الخلايا الشمسية الحرارية من التقنيات المتطورة لتوليد الطاقة عبر استغلال الطاقة الشمسية، وهي تضم "الخلايا الكهروضوئية" (Photovoltaic cells) التقليدية التي تمتص الفوتونات من أشعة الشمس وتحولها مباشرة إلى طاقة، إلى جانب جزء إضافي يمتص أشعة الشمس بالكامل مُصدرا حرارة تتحول لاحقا إلى فوتونات.

وعلى الرغم من تطور تلك التقنية عن سابقاتها، فهي لا تزال غير قادرة على استغلال الطاقة الشمسية المتاحة بالكامل، ما يؤثر في كمّ الطاقة المولد عبرها.

وللتعرف على كيفية تحسين إنتاجية تلك التقنية، أجرت الجزيرة نت حوارا عبر الإيميل مع البروفيسور "بو زاو"، الأستاذ المساعد بقسم الهندسة الميكانيكية بجامعة هيوستن، والمشرف على البحث، والذي يشير إلى أن الحد الأقصى لـ"كفاءة الخلايا الشمسية الحرارية" (STPV) الحالية لاستغلال الطاقة الشمسية؛ لا يتعدى نسبة 85.4%، بينما يبلغ الحد المثالي نسبة 93.3%، وينتج هذا النقص عن خاصية "التبادلية" (Reciprocity) التي تمتلكها الخلايا الحالية.

ويعني مصطلح "التبادلية" أن أحد أجزاء نظام الخلايا الشمسية الحرارية المسمى "الطبقة المتوسطة" (Intermediate layer) يمتص قدرا معينا من الطاقة الشمسية، وفي نفس الوقت تُعيد هذه الطبقة بعث جزء من تلك الطاقة إلى الفضاء، الأمر الذي يؤدي بالضرورة إلى فقدان ذلك الجزء من الطاقة، ما يعني عدم قدرة الخلايا على حصد الكمية المثلى من الطاقة الشمسية.

واعتمد الباحثان في دراستهما على تعديل نظام الخلايا الشمسية الحرارية ليصير غير تبادلي، ما يعني امتصاص الطبقة المتوسطة لكمية معينة من الضوء، مع عدم انبعاث أي جزء منها للفضاء من جديد، وهو أمر مغاير تماما لأنظمة حصد الطاقة الشمسية المعمول بها حاليا.

ويوضح زاو "في هذه الحالة تستطيع الطبقة المتوسطة امتصاص أشعة الشمس دون فقدان أي كمية منها، عبر توجيه الانبعاث العكسي لها تجاه "الخلية الكهروضوئية" (Photovoltaic cell)، والتي تستطيع بدورها امتصاص الفوتونات الموجودة بالأشعة، ومن ثم تحويلها إلى طاقة".

ويضيف زاو موضحا خلاصة الفرق بين نظام استغلال الطاقة الشمسية الحالي والتطوير المقترح، فيقول "ينبغي أن نلاحظ أن نظامنا المقترح يتضمن نفس نوع الخلايا الكهروضوئية المستخدم حاليا، أما الجزء الذي ابتكرناه فهو النظام اللاتبادلي الخاص بالطبقة الوسطى".

وعند سؤاله عن مدى سهولة تطبيق تلك التقنية مستقبلا، أشار البروفيسور زاو إلى أن تصنيع الطبقة الوسطى للنظام يستدعي استخدام ذات خصائص معينة، وهي مواد لا تزال قيد التطوير.

ويعلق زاو على مدى إمكانية الاعتماد على تلك التقنية في الدول النامية "يواجه تطوير المواد المطلوبة لبناء أنظمة الخلايا الشمسية الحرارية المعدلة تحديات عدة، لذلك فمن الصعب تطبيقها خلال الفترة الحالية في مختلف الدول النامية".

ويوضح زاو أن الولايات المتحدة الأميركية تتجه إلى الاعتماد على الطاقة الشمسية لإنتاج خُمس احتياجاتها من الطاقة الكهربائية، وهو ما يعني بالضرورة ضرورة تطوير تقنيات استغلال الطاقة الشمسية سريعا.

ويوضح زاو أن زيادة كفاءة هذه التقنيات يساوي إنتاج المزيد من الطاقة الكهربائية، بالإضافة إلى خفض الانبعاثات الكربونية بدرجة كبيرة، فزيادة الكفاءة بمعدل 1% يساوي التخلص من حوالي 19.3 مليار كيلوغرام من تلك الانبعاثات.

وعن الخطوة التالية لنشر نتائج الدراسة، يوضح البروفيسور زاو أن الفريق البحثي يعمل على إثبات دور تقنيته في تحسين قدرة نظام الخلايا الشمسية الحرارية الحالي، وقياس النتائج الفعلية لتلك التقنية لأول مرة على أرض الواقع.

كلمات مفتاحية :