طاقة شمسية فعالة للغاية، بقلم: مايك أوركت

إن مضاعفة فاعلية أجهزة الطاقة الشمسية سوف تغيِّر تمامًا من اقتصادات الطاقة المتجددة. إليك تصميمًا ربما يجعل هذا أمرًا ممكنًا.
يعتقد هاري أتووتر أن بإمكان معمله صناعة جهاز ميسور التكلفة ينتج أكثر من ضعفَي الكهرباء المولَّدة من الطاقة الشمسية عن طريق الألواح الشمسية الحالية. ويقول أستاذ علوم المواد والفيزياء التطبيقية الذي يعمل في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (كالتيك): إن هذا العمل الفذَّ ممكِنٌ بفضل الإنجازات الأخيرة في القدرة على التعامل مع الضوء على نطاق صغير للغاية.

تتكون الألواح الشمسية الموجودة في السوق حاليًّا من خلايا مصنوعة من مادة واحدة من أشباه الموصلات، والتي غالبًا ما تكون السليكون. وبما أن الألواح لا تمتص إلا نطاقًا صغيرًا من الطيف الشمسي فحسب؛ فإن كثيرًا من طاقة ضوء الشمس تتبدَّد في صورة حرارة. عادةً ما تحوِّل هذه الألواح أقل من ٢٠ بالمائة من هذه الطاقة إلى كهرباء، ولكن الجهاز الذي يفكِّر فيه أتووتر وزملاؤه ستبلغ فعاليته ٥٠ بالمائة على الأقل، وسوف يستخدم تصميمًا يقسِّم ضوء الشمس بفعالية — كما يفعل المنشور الزجاجي — إلى عدد من ستة إلى ثمانية أطوال موجية جزئية، وكل واحد منها ينتج لونًا مختلفًا من ألوان الضوء، وبعد ذلك سوف يُنثر كل لون نحو خلية مصنوعة من مادة شِبْه موصِّلة قادرةٍ على امتصاصه.

يعمل فريق أتووتر على ثلاثة تصميمات، وفي أحدها (انظر الرسم) — والذي صنعت المجموعة نموذجًا تجريبيًّا له — يُجمَع ضوء الشمس عن طريق حوض معدني عاكس، ويوجَّه بزاوية معينة في بنية مصنوعة من مادة عازلة شفافة. والطبقة على السطح الخارجي للبنية الشفافة عبارة عن خلايا شمسية متعددة، كل واحدة منها مصنوعة من ستة إلى ثمانية أشباه موصِّلات مختلفة. بمجرد أن يدخل الضوء إلى المادة، يقابل سلسلةً من المرشحات الضوئية الرقيقة، ويسمح كل واحد منها بعبور لون واحد عبره ليصل الضوء للخلية التي يمكنها امتصاصه، أما بقية الألوان فتنعكس نحو المرشحات الأخرى المصمَّمَة للسماح لها بالعبور.

يستخدم تصميم آخَر مرشحات ضوئية تُقاس بالنانو، يمكن أن ترشِّح الضوء القادم من كل الزوايا. والتصميم الثالث يستخدم هولوجرام بدلًا من المرشحات لتقسيم الطيف، وبينما تختلف التصميمات، فإن الفكرة الرئيسية واحدة: دمج الخلايا تقليدية التصميم مع التقنيات الضوئية من أجل استغلال طيف ضوء الشمس الواسع بفاعلية وتبديد أقل القليل من طاقته.

يشير أتووتر إلى أنه ليس واضحًا حتى الآن أي من التصميمات سوف يقدِّم أفضل أداء. ويضيف: إن الأجهزة المتخيَّلَة ستكون أقل تعقيدًا من الكثير من الأجهزة الإلكترونية المتاحة في السوق حاليًّا؛ وهذا ما يجعله واثقًا من أنه بمجرد صنع نموذج تجريبي مقنِع والوصول به لأفضل أداء، يمكن تسويقه بطريقة عملية.

يقول أتووتر إنه ينبغي أن يكون الهدف الرئيسي لمجال الطاقة الشمسية هو تحقيق فعالية فائقة في تصميمات أجهزة الطاقة الشمسية؛ إذ إنه الآن «أفضل طريقة لدينا» لتقليل تكلفة إنتاج الطاقة من الشمس. هذا بسبب أن أسعار الألواح الشمسية قد انخفضت كثيرًا على مدار السنوات القليلة الماضية. لذا، فإن مواصلة التركيز على جعلها أرخص لن يكون له إلا تأثير قليل على التكلفة الإجمالية لنظام الطاقة الشمسية؛ فالنفقات المرتبطة بأشياء مثل الأسلاك والأراضي والتصاريح والعمالة تشكِّل الآن الغالبية العظمى من هذه التكاليف، وسيعني جَعْل الوحدات أكثر فعالية أنه سيلزمنا قليل من الألواح من أجل توليد الكمية نفسها من الطاقة، ومن ثَمَّ يمكن تقليل تكاليف العتاد الصلب والتركيب على نحو كبير. ويضيف أتووتر قائلًا: «في غضون سنوات قليلة، لن توجد فائدة من العمل على تكنولوجيا تحقِّق فعالية أقل من ٢٠ بالمائة.»

التكنولوجيا الثورية
التحكم في الضوء للاستفادة أكثر من طاقة ضوء الشمس.

أهميتها: فعالية أعلى ستزيد من منافسة الطاقة الشمسية للوقود الحفري.

المشاركون الرئيسيون فيها:

هاري أتووتر، معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.
ألبرت بولمان، معهد الفيزياء الذرية والجزيئية.
إلي يابلونوفيتش، جامعة كاليفورنيا، ببيركلي.
داو كيميكال.