في سياق إعادة تصور مستقبل الطاقة الشمسية، يُشير بحث جديد أجراه علماء من جامعة “كامبردج” البريطانية، إلى طرق جديدة لتوليد الطاقة الشمسية بكفاءة أفضل من الوضع الحالي.
وفي دراستهم التي نشروها في دورية “جول” المهتمة بمجالات الطاقة المستدامة، يرى علماء جامعة كامبردج أن تطوير الخلايا الشمسية لتكون فائقة الكفاءة أمر صعب للغاية، وبالتالي يجب التفكير في طرق أخرى جديدة لتوليد الطاقة الشمسية، مثل تركيز المزيد من ضوء الشمس على الخلايا الشمسية، عوضا عن مجرد محاولة جعل الخلايا الشمسية فائقة الكفاءة، هذا بالإضافة الى الاهتمام بتعديل ألواح الخلايا الشمسية وجعلها أكثر متانة ومرونة وشفافة.
تحسين كفاءة الطاقة الشمسية
من المعروف أن الخلايا الشمسية -التي تُجمع في ألواح تُعرف بالألواح الشمسية- هي الأجهزة التي تحوّل ضوء الشمس إلى كهرباء، وغالبا ما تُصنع من السيليكون، وهو عنصر شائع لكنه يعاني من عيوب في التقاط الإشعاع الشمسي وتحويله إلى كهرباء، وهي المشكلة التي تواجه إنتاج الطاقة الكهربائية بواسطة الخلايا الشمسية، والتي تعرف بمشكلة كفاءة الألواح الشمسية، إضافة إلى القيود التي تحد من استغلال الطاقة الشمسية على مدار اليوم.
وبحسب دراسة سابقة تبحث في العيب الرئيسي في كفاءة الألواح الشمسية المصنوعة من السيليكون، فإن غالبية الخلايا الشمسية تُحقق فقط 20% من الكفاءة لكل “كيلوواط “من ضوء الشمس المكافئ، كما أرجعت تلك الدراسة الأسباب الرئيسية في انخفاض كفاءة الطاقة الشمسية إلى العوامل الطبيعية مثل ارتفاع درجة حرارة الشمس أو الرطوبة أو تأثير الغبار.
ولتحسين كفاءة الطاقة الشمسية اتجه باحثون في علوم المواد وتكنولوجيا الطاقة الشمسية إلى معالجة مشكلة كفاءة الطاقة عن طريق تطوير تقنيات جديدة، تُسهم في الحد من القيود التي تمنع تلك الخلايا من إنتاج أعلى قدر من الطاقة.
طرق أخرى لتوليد الطاقة الشمسية
وفقا للبيان الصحفي الصادر من جامعة “كامبردج”، فإن الدراسة الجديدة تسعى إلى اقتراح بعض الطرق التي يمكن أن تقدم أداء أفضل في أجزاء مختلفة من العالم، وبمعنى آخر تتجاوز تلك الظروف البيئية والطبيعية المختلفة التي تقلل من كفاءة الخلايا الشمسية.
يقول البيان: إن الدراسة الجديدة تقدم اقتراحات لطرق أخرى لتوليد الطاقة الشمسية عوضا عن مجرد محاولة جعل الخلايا الشمسية الفردية فائقة الكفاءة، إذ يبحث العلماء دائما عن طرق أفضل للحصول على أكبر كمية من الطاقة الكهربائية من الخلايا الشمسية.
ووجد فريق العلماء في مختبر قسم الفيزياء كلية العلوم الفيزيائية جامعة كامبردج ومعهد الأبحاث الهولندي في أمستردام، أن تحسين كفاءة الخلايا الشمسية بهذه الطريقة أصعب مما نعتقد، لكنهم اكتشفوا طرقا أخرى يمكن من خلالها تحسين الطاقة الشمسية، مثل تحسين طرق التقاط الطاقة الشمسية في أي مكان على هذا الكوكب، وذلك بتعديل ألواح الخلايا الشمسية التي تحوّل ضوء الشمس إلى كهرباء، لتقديم أداء أفضل في أجزاء مختلفة من العالم حيث يمكن أن يكون تركيز الضوء الشمسي أعلى.
واعتمد علماء جامعة كامبردج في التحقق من تصوراتهم لمستقبل الطاقة الشمسية على استخدام نماذج التعلم الآلي والشبكات العصبية في الذكاء الاصطناعي لفهم كيفية تصرف إشعاع الشمس في مناطق مختلفة على الأرض، وذلك عبر محاكاة حاسوبية لسيناريوهات مختلفة، وتمكن الباحثون من التنبؤ بكمية الطاقة التي يمكن أن تنتجها الخلايا الشمسية في مواقع مختلفة حول العالم، ودمجوا بعد ذلك هذه البيانات في نموذج إلكتروني لحساب إنتاج الخلايا الشمسية.
يقول الدكتور “تومي بايكي” الباحث الأول في الدراسة: “عوضا عن مجرد محاولة تحسين الخلايا الشمسية، توصلنا إلى طرق أخرى لالتقاط المزيد من الطاقة الشمسية، وقد يكون هذا مفيدا حقا للمجتمعات، إذ يمنحهم خيارات مختلفة للتفكير فيها بدلا من التركيز فقط على جعل الخلايا أكثر كفاءة مع الضوء”.
تعديل الخلايا الشمسية
وفي سياق تعديل الخلايا الشمسية، اقترحت الدراسة تعزيز متانة الألواح الشمسية بحيث يمكن أن تنثني وتُطوى أو تصبح شفافة جزئيا لتندمج بسلاسة مع البيئة المحيطة ويسهل تركيبها.
ومن خلال تعزيز متانة هذه اللوحات وتعدد استخداماتها، يمكن دمجها في مجموعة واسعة من الإعدادات، مما يَعِد بطول العمر والكفاءة.
يقول بايكي: “نقترح خطة مختلفة يمكن أن تجعل الألواح الشمسية تعمل بشكل جيد في العديد من الأماكن المختلفة حول العالم، إذ إن الفكرة هي جعل الألواح الشمسية مرنة وشفافة إلى حد ما وقابلة للطي، وبهذه الطريقة يمكن للألواح أن تناسب جميع أنواع الأماكن، ولهذا ندعو الباحثين إلى استخدام نمذجة أجهزة التقاط الطاقة الشمسية بهدف تحسين ترتيبها لتحقيق أقصى قدر من امتصاص ضوء الشمس”.
ويضيف أن هذا النهج “ينطوي على تحسين تصميم المصفوفات الشمسية وزيادة فعاليتها في تسخير الطاقة الشمسية، وبالتالي فإن هذا الإدراك يعني أنه يمكننا الآن التركيز على أشياء مختلفة بدلا من مجرد جعل الخلايا الشمسية تعمل بشكل أفضل. وفي المستقبل سنقوم بفحص مسارات حصاد الطاقة الشمسية التي تتضمن ما يمكن أن يساعدنا في التقاط المزيد من طاقة الشمس”.