تعديل بسيط في تصميم الخلايا الشمسية يجعلها أكثر كفاءة.. تفاصيل

استطاع فريق بحثي من جامعة هيوستن التوصل إلى تقنية متقدمة تساعد في تطوير الخلايا الشمسية الحرارية (Solar thermophotovolatics).

هذه التقنية ستمكنا من تحصيل المزيد من الطاقة الشمسية وتخزينها؛ ما سيؤدي إلى زيادة معدل إنتاج الطاقة الكهربائية.

علاوة على ذلك من المقرر أن تساهم هذه الدراسة في:

• الحد من القيود الحالية التي تمنع تلك الخلايا من إنتاج أعلى قدر من الطاقة.
• ستمهد الطريق إلى استغلال الطاقة الشمسية على مدار اليوم.

– تحديث الخلايا الشمسية الحرارية لزيادة الكفاءة

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 مُصدرًا حرارة تتحول لاحقًا 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.

تعقيبًا على هذا الأمر قال البروفيسور “بو زاو”؛ الأستاذ المساعد بقسم الهندسة الميكانيكية بجامعة هيوستن، والمشرف على الدراسة:

“الحد الأقصى لكفاءة الخلايا الشمسية الحرارية 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 قدرًا معينًا من الطاقة الشمسية.

وفي الوقت نفسه تُعيد هذه الطبقة بعث جزء من تلك الطاقة إلى الفضاء، الأمر الذي يؤدي بالضرورة إلى فقدان ذلك الجزء من الطاقة.

هذا يعني عدم قدرة الخلايا على حصد الكمية المثلى من الطاقة الشمسية.

لذلك أجرى البروفيسور “زاو”، و”سينا جافاري”؛ الباحث الرئيس للدراسة، محاولة لتطوير نظام الخلايا الشمسية الحرارية عبر تعديل طريقة عمل طبقته الوسطى.

– كيفية إعادة اكتساب الطاقة الشمسية المهدرة

لقد اعتمد الباحثان في دراستهما على تعديل نظام الخلايا الشمسية الحرارية ليصير غير تبادلي، ما يعني:

• امتصاص الطبقة المتوسطة لكمية معينة من الضوء.
• عدم انبعاث أي جزء منها للفضاء من جديد.

هذا أمر مختلف تمامًا لأنظمة حصد الطاقة الشمسية المعمول بها حاليًا.

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)”.

وتستطيع هذه الخلايا بدورها امتصاص الفوتونات الموجودة بالأشعة ومن ثم تحويلها إلى طاقة”.

ويضيف “زاو”: “ينبغي أن نلاحظ أن نظامنا المقترح يتضمن نفس نوع الخلايا الكهروضوئية المستخدم حاليًا، أما الجزء الذي ابتكرناه فهو النظام اللاتبادلي الخاص بالطبقة الوسطى”.

– تأثير النظام الجديد في التغيرات المناخية

تتجه الولايات المتحدة الأمريكية إلى الاعتماد على الطاقة الشمسية لإنتاج خُمس احتياجاتها من الطاقة الكهربائية.

وهذا يعني بالضرورة تطوير تقنيات استغلال الطاقة الشمسية سريعًا.

وبالإضافة إلى ذلك سيتم:

• زيادة كفاءة هذه التقنيات لإنتاج المزيد من الطاقة الكهربائية.
• خفض الانبعاثات الكربونية بدرجة كبيرة، فزيادة الكفاءة بمعدل 1% يساوي التخلص من حوالي 19.3 مليار كيلو غرام من تلك الانبعاثات.

أخيرًا يذكر أن هذه الدراسة نشرت نتائجها في دورية Physical Review Applied.

المصدر

اقرأ أيضًا:

مفاجأة.. يمكن استخدام شعر الإنسان لتقوية الخلايا الشمسية