المكثفات الشمسية على شكل أوراق الشجر بزيادة كبيرة في كفاءة الطاقة الشمسية

منذ اختراعه في سبعينيات القرن العشرين، كان الهدف من المكثف الشمسي المضيء هو تعزيز التقاط الطاقة الشمسية باستخدام مواد مضيئة لتحويل وتركيز ضوء الشمس على الخلايا الكهروضوئية.

وعلى عكس المكثفات التقليدية التي تعتمد على المرايا والعدسات، يمكن للمكثف الشمسي المضيء حصاد الضوء المنتشر، وقد تم استخدامه في تطبيقات مثل الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني، حيث توفر طبيعته شبه الشفافة والملونة فوائد جمالية.

ومع ذلك، كان توسيع نطاق الخلايا الضوئية لتغطية مناطق كبيرة أمرًا صعبًا بسبب مشكلات مثل الامتصاص الذاتي للفوتونات الضوئية داخل الموجة.

المكثفات الشمسية

نموذجًا مبتكرًا لخلايا ضوئية على شكل أوراق

اقترح باحثون في جامعة ريتسوميكان (اليابان) نموذجًا مبتكرًا لخلايا ضوئية على شكل أوراق يعد بالتغلب على مثل هذه القيود من خلال تحسين جمع ونقل الضوء إلى الخلايا الضوئية.

يعالج تصميم الخلايا الضوئية على شكل أوراق مشكلة قابلية التوسع باستخدام مكونات ضوئية أصغر ومترابطة تعمل مثل أوراق الشجر.

وكما ورد في مجلة Photonics for Energy ( JPE )، فإن هذا الإعداد المبتكر يتضمن وضع ألواح مضيئة حول ألياف مضيئة مركزية، مع توجيه جوانب الألواح نحو الألياف.

يسمح هذا الترتيب بتحويل الفوتونات الواردة إلى فوتونات PL بواسطة الألواح، والتي تنتقل بعد ذلك عبر الألياف ويتم جمعها عند طرفها بواسطة خلية PV لتعزيز الكفاءة، تقوم أدلة الضوء الشفافة بربط ألياف متعددة بخلية PV واحدة، مما يزيد بشكل فعال من مساحة العرض في LSC مع تقليل خسائر الفوتونات بسبب الامتصاص الذاتي والتشتت.

المكثفات الشمسية

العديد من المزايا

يقدم هذا النهج المعياري لتصميم LSC العديد من المزايا، من خلال تقليل الحجم الجانبي للوحدات الفردية، وجد الباحثون أن كفاءة جمع الفوتونات تتحسن.

على سبيل المثال، أدى تقليل طول جانب LSC ذو الورقة المربعة من 50 مم إلى 10 مم إلى زيادة كفاءة جمع الفوتونات بشكل كبير.

يسمح التصميم المعياري أيضًا باستبدال الوحدات التالفة بسهولة ودمج المواد المضيئة المتقدمة عندما تصبح متاحة.

ولزيادة كفاءة النظام، قام الباحثون بدمج تقنيات من الخلايا الضوئية المستوية التقليدية – مثل المرايا الحافة والهياكل الترادفية – في تصميم الخلايا الضوئية الورقية.

وقد أثبتت تجاربهم أنه يمكن حساب الكفاءة البصرية لهذه الهياكل الشبيهة بالأوراق تحليليًا بناءً على طيف وشدة الضوء الساقط، باستخدام تقنية إثارة نقطة واحدة.

المكثفات الشمسية

نهجًا إبداعيًا

وفقًا لرئيس تحرير مجلة JPE شون شاهين، أستاذ الهندسة والفيزياء في جامعة كولورادو بولدر، وزميل معهد الطاقة المتجددة والمستدامة، “تُظهر هذه النتائج نهجًا إبداعيًا يعزز مفهوم المجمعات الشمسية المضيئة لتوجيه ضوء الشمس بشكل فعال نحو الأجهزة الكهروضوئية المجاورة، من خلال الجمع بين التصميمات القابلة للتطوير والمستوحاة من البيولوجيا مع التحسينات في الهندسة البصرية، زاد المؤلفون من كفاءة أجهزتهم نحو ما هو مطلوب للاستخدام العملي”.

تحسين عملية جمع الفوتونات في الخلايا الشمسية الكهروضوئية قد يمهد الطريق أمام حلول أكثر مرونة وقابلية للتطوير في مجال الطاقة الشمسية.

وقد يؤدي هذا النهج في حصاد الطاقة إلى إحداث ثورة في استخدام المكثفات الشمسية، مما يجعلها أكثر كفاءة وقابلية للتكيف مع الاستخدامات المختلفة، من التركيبات واسعة النطاق إلى الأنظمة المتكاملة مع المباني.

ومع تقدم التكنولوجيا، فإنها تحمل وعدًا بتعزيز أداء أنظمة الطاقة الشمسية بشكل كبير والمساهمة في إيجاد حلول طاقة أكثر استدامة .

المكثفات الشمسية