ابتكار عربي رائد لحل مشكلات ارتفاع حرارة الألواح الشمسية

نجح باحث عربي في تصميم حلول مبتكرة للتصدي لمشكلات ارتفاع حرارة الألواح الشمسية، والحد من الكلفة العالية والاستهلاك المتزايد لأنظمة مركزات الدوران الشمسية الفوتوفولتية.

وطوّر الدكتور المهندس السوري نوار أحمد، المتخصص بالطاقة الشمسية المركزة والخلايا الشمسية، تقنية جديدة، وهي مرشح فيلم رقيق، يختلف عن تقنيات تخفيض درجة الحرارة التقليدية (المشتتات الحرارية).

وقال أحمد في مقابلة مع مرصد المستقبل، إن «التقنية الجديدة التي طورناها، ونشرنا فيها ورقة بحثية في مجلة اليابان للفيزياء التطبيقية، تهدف إلى التصدي لارتفاع درجة الحرارة في الخلايا الشمسية، الذي يمكن أن يقلل من الأداء والموثوقية بشكل كبير في أنظمة مركزات الخلايا الفوتوفولتية».

وأضاف أن «الاقتراح الذي أجرينا الدراسة حوله لمعرفة امكانية نجاحه كان قطع وعكس الطيف الشمسي غير المستخدم في الخلايا الشمسية متعددة الوصلات، والسماح فقط للطيف المحقق لكفاءة الكم الخارجية العليا (إي كيو إي) بالوصول إلى الخلايا الشمسية. ويولد هذا الطيف الطاقة الكهربائية في الخلية، في حين أن الطيف المقطوع والمعكوس هو المسؤول عن ارتفاع درجة الحرارة في الخلية، إذ تتشتت طاقته في الأجزاء المتعددة للخلية بسبب عدم امتصاص الإشعاع ضمنه».

وتابع أن «الخلايا الشمسية أظهرت أداء أفضل تحت الطيف (إي كيو إي) في نطاق 400 إلى 1300 نانومتر، وقمنا بتصميم فيلم رقيق يتضمن 97 طبقةً رقيقةً، ويتيح للطيف الضوئي ضمن المجال بالوصول إلى الخلية الشمسية متعددة الوصلات، وأجرينا دراسة ضوئية باستخدام كل مجال الطيف الضوئي في نطاق الطول الموجي من 300 إلى 2500 نانومتر، لإظهار أثر الفيلم الرقيق على الأداء العام لنظام المركز الشمسي الفوتوفولتي».

وعقب إجراء نمذجة حرارية، أثبت أحمد وفريقه البحثي أن درجة حرارة الخلية الشمسية متعددة الوصلات دون فلم رقيق في نظام المركز الشمسي وصلت إلى حد أقصى بلغ 121 درجة مئوية، في حين أدى استخدام مرشح الفيلم الرقيق إلى انخفاض كبير في درجة حرارة الخلية الشمسية، فلم تتجاوز حرارتها 95.7 درجة مئوية، ما يشكل انخفاضاً إجمالياً قدره 25.3 درجة مئوية.

وصمم المبتكر العناصر البصرية الضامنة لتركيز أشعة الشمس بزوايا قبول تصل إلى 4.5 درجات، ليتحرك النظام كل نصف ساعة إلى نقطة وسطية، بحيث لا تتعدى زاوية خطأ التعقب، زاوية القبول للوحدة، وأجرى الفريق تجربة عملية ونمذجة بصرية وكهربائية وحرارية للنظام لإثبات تحقيقه لأداء عالٍ.

وقال أحمد إن «النتائج الحرارية أظهرت تغيراً منخفضاً جداً في توزع درجات الحرارة على سطح الخلية الشمسية، على الرغم من أننا دمجنا توزع الإشعاع الشمسي بالنمذجة. وحققنا هذا التوافق في الأداء بسبب زاوية القبول الواسعة للنظام البصري. وتبين أن درجة الخلايا الشمسية المتعددة الوصلات المُعدَّة للعمل في المركزات الشمسية بكفاءة حتى 80 درجة مئوية، لم تتجاوز الحدود المسموحة، وبلغت الكفاءة البصرية التي حققها النظام 86.9%، وأظهرت نتائج المحاكاة الحرارية والتجربة توافقاً جيداً مع أكبر خطأ تعقب ودون خطأ تعقب مع فارق ضئيل، وهو أقل من 2%. وأثبت تقييم التسخين عند النقطة المحورية للعدسة أنه بقي ضمن النطاق المقبول، مع غياب الإجهادات الحرارية في العدسة».