أخبار ar.wedoany.com، طوّر باحثون في جامعة نيو ساوث ويلز (UNSW) وحدات شمسية من السيليكون البلوري (c-Si) شبه شفافة وانتقائية طيفياً، مخصصة للاستخدام في أنظمة الطاقة الشمسية الزراعية.
لضمان حصول المحاصيل المزروعة تحت الحماية على ضوء كافٍ، تعتمد الوحدات الشمسية شبه الشفافة السائدة حالياً على ترتيب خلايا c-Si غير الشفافة بتباعد، تاركةً مساحات زجاجية شفافة لنفاذ ضوء الشمس. ومع ذلك، تستخدم النباتات جزءاً محدوداً فقط من الطيف الشمسي (الجزء الفعال في عملية التمثيل الضوئي، ويُشار إليه اختصاراً بـ PAR، ويتراوح طوله الموجي حوالي 400-700 نانومتر) لدفع عملية التمثيل الضوئي. تنقل الوحدات الحالية أجزاءً كبيرة من الطيف الشمسي لا تحتاجها المحاصيل (خاصة الأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء القريبة)، بينما كان يمكن استخدام هذه الأجزاء لتوليد الكهرباء، حيث أن خلايا c-Si تتسم بكفاءة تحويل عالية جداً للأشعة تحت الحمراء القريبة. صرّح المؤلف الرئيسي للدراسة، إيان إل. توماس، بأن الفريق قام بدمج عناصر بصرية انتقائية طيفياً في الفجوات بين الخلايا داخل الوحدة الشمسية شبه الشفافة، "هذه العناصر البصرية المدمجة يمكنها إعادة توجيه الأشعة تحت الحمراء القريبة نحو خلايا c-Si لتوليد الكهرباء، مع السماح في الوقت نفسه بنفاذ نسبة عالية جداً من إشعاع PAR. تكمن خصوصية هذا الحل في أنه يجمع ببراعة بين تقنية ثنائية اللون (dichroic) الحالية المستخدمة على نطاق واسع في قطاع البناء، وعمليات التصنيع المستخدمة حالياً في تجميع مكونات الوحدات الشمسية."
تعتمد الوحدة على خلايا شمسية من نوع TOPCon (الخلايا الشمسية) وعاكسات براغ الموزعة (DBR)، مدمجة في هيكل زجاجي مزدوج، وتستخدم هندسة المكثف المسطح على شكل حرف V، لتحقيق فصل طيفي عالي الكفاءة من خلال الانعكاس الداخلي الكلي. يتكون عاكس DBR من طبقات متناوبة ذات معاملات انكسار مختلفة، ومن خلال التصميم الدقيق لسماكة الطبقات، يحدث تداخل بناء في موجات الضوء المنعكسة، مما يحقق ذروة انعكاسية تتجاوز 99.9% ضمن نطاق الطول الموجي المستهدف. قام الباحثون بتقييم تقنيتين تجاريتين لعاكس DBR، وهما طلاء الفضة العازل (silver-dielectric coating) والأغشية البوليمرية متعددة الطبقات. وُجد أن الأغشية البوليمرية متعددة الطبقات توفر انعكاسية أعلى للأشعة تحت الحمراء القريبة، وامتصاصاً ضوئياً مهملاً، وانتقائية طيفية أكثر حدة، مما يجعلها جذابة بشكل خاص لمفهوم الوحدة المقترح. تعتمد الوحدة أيضاً على مكثف مسطح على شكل حرف V، والذي يستخدم سلسلة من الهياكل العاكسة المائلة لإعادة توجيه ضوء الشمس الساقط نحو المنطقة المركزية. في التكوين المقترح، تقوم هذه الأسطح المائلة بتوجيه الأشعة تحت الحمراء القريبة بزاوية تمكن من تحقيق الانعكاس الداخلي الكلي نحو الركيزة الزجاجية، مما يحبس الضوء داخل الوحدة.
استخدم الباحثون برنامج MATLAB لبناء نموذج بصري شامل لتقييم أداء الوحدة سنوياً، ومقارنته بالوحدات الشمسية غير الشفافة التقليدية والوحدات الشمسية شبه الشفافة ذات نسبة تغطية الخلايا نفسها. تم تقييم الأداء بناءً على الكفاءة البصرية، والتحويل الكهربائي، ونقل إشعاع PAR. يفترض النموذج ظروف تشغيل مثالية، مما يبسّط عدة عوامل تشمل تغير جهد الخلية، والتأثيرات الحرارية، والإضاءة الخلفية، والاستجابة الضوئية الخاصة بالمحصول، مع التركيز بشكل أساسي على كثافة تيار الدائرة القصيرة. أظهرت المحاكاة التي أجريت في ثلاثة مواقع في أستراليا أنه تحت الإضاءة المباشرة، حققت الوحدة زيادة في إنتاج الطاقة الكهربائية بنسبة 34% مقارنة بالوحدات الشمسية شبه الشفافة التقليدية، مع الحفاظ على نقل عالٍ لإشعاع PAR. يعتمد الأداء بشكل كبير على زاوية سقوط الشمس بالنسبة لاتجاه الأخدود على شكل حرف V، حيث يكون السلوك مستقراً على طول اتجاه الأخدود، ولكن الكفاءة العرضية تنخفض بسبب قيود الانعكاس الداخلي الكلي. ينقل التصميم بكفاءة إشعاع PAR الذي تحتاجه المحاصيل، مع إعادة توجيه الأشعة تحت الحمراء القريبة نحو الخلايا الشمسية لتوليد الكهرباء.
تشير النتائج أيضاً إلى أن غشاء DBR البوليمري متعدد الطبقات يوفر أفضل توازن شامل. بالنسبة للوحدة ذات نسبة تغطية خلايا تبلغ 50%، تبلغ الزيادة السنوية في تيار الدائرة القصيرة حوالي 23-27%، بينما يحقق التصميم ذو نسبة تغطية 38% زيادة تتراوح بين 34-40%. في جميع الحالات، يتم الاحتفاظ بأكثر من 90% من إشعاع PAR، بينما يتم إعادة توجيه حوالي 80% من الأشعة تحت الحمراء القريبة لتوليد الكهرباء. صرّح توماس بأن الفريق قام ببناء نموذج أولي للمرحلة الأولى بحجم نصف ورقة A4 تقريباً، وأكد من خلال الاختبارات أداءه؛ ومن خلال تصفية حوالي 80% من الأشعة تحت الحمراء القريبة، يمكن لهذه التقنية خفض درجة حرارة سطح المحاصيل في المناطق شبه القاحلة، مما يقلل من استهلاك المياه. تم وصف تقنية الوحدة في دراسة بعنوان "الوحدات الشمسية الزراعية من السيليكون البلوري الانتقائية طيفياً: تقييم نهج جديد" (Spectrally selective c-Si agrivoltaic modules: Evaluating a new approach)، والتي نُشرت في مجلة "Applied Energy".
