أخبار ar.wedoany.com، طوّر فريق بحثي بقيادة جامعة قطر (Qatar University) نموذجًا أوليًا لكهروضوئية كروية مدعومة بعاكس على مستوى المكوّنات، واختبره تجريبيًا في الهواء الطلق عبر تجربة إثبات مفهوم استمرت تسعة أيام. يتكون النموذج الأولي من 450 خلية شمسية سيليكونية أحادية الوجه موزعة على ركيزة كروية يبلغ قطرها 0.70 متر، مزودة بعاكس نصف كروي. وأكدت الاختبارات قابلية النظام للتشغيل في الهواء الطلق، غير أن المحاكاة على مدار العام أظهرت أن إنتاجه السنوي من الكهرباء لا يزال أقل من الوحدة المرجعية المسطحة.
على عكس الوحدات المسطحة التقليدية التي تتسم باتجاه سطحي واحد مهيمن فقط، توزّع البنية الكروية الخلايا الكهروضوئية على نطاق متصل من زوايا الميل والاتجاهات؛ وبالمقارنة مع التكوينات غير المستوية مثل الأسطوانية أو المخروطية، لا يمتلك الشكل الكروي اتجاهًا مفضلًا، مما يتيح التقاط الإشعاع الشمسي مع تغير موقع الشمس خلال اليوم دون الحاجة إلى تتبع ميكانيكي. ويتمثل الابتكار الرئيسي في عاكس نصف كروي على شكل وعاء، يعيد توجيه الإشعاع الساقط الذي كان يتعذر استغلاله إلى مناطق مختلفة من السطح الكروي. وأظهرت المحاكاة أن إضافة العاكس يمكن أن ترفع إنتاج الطاقة بنحو 71% مقارنة بالتكوين الكروي نفسه دون عاكس. كما بنى فريق البحث إطارًا لنمذجة الأداء حساسًا للهندسة، لتقييم الإشعاعية المعتمدة على الاتجاه على السطح الكروي، وتحويلها إلى توليد كهرباء مصحح بدرجة الحرارة.
صرّح المؤلف المراسل أميث خندكار (Amith Khandakar) في مقابلة مع مجلة pv magazine بأن جوهر هذه التقنية يتمثل في دمج البنية الكهروضوئية الكروية بالكامل، والتقاط الإشعاع المدعوم بالعاكس، وإطار النمذجة المذكور، والنموذج الأولي المُصنَّع فعليًا والمُختبر في الهواء الطلق، ضمن إطار موحّد. ويرى فريق البحث أن التطبيقات المحتملة لهذا المكوّن تشمل المواقع ذات الاتجاهات غير المثلى وزوايا ارتفاع شمسي منخفضة، والأنظمة المتكاملة مع المباني، والمنشآت المتنقلة أو المقيدة الاتجاه، والبيئات التي يصعب تنظيفها. وقد نُشرت الورقة البحثية ذات الصلة بعنوان "Reflector-assisted spherical photovoltaic module for solar energy harvesting" (وحدة كهروضوئية كروية مدعومة بعاكس لحصاد الطاقة الشمسية) في مجلة Solar Energy.
يستخدم النموذج الأولي للكهروضوئية الكروية المدعومة بالعاكس خلايا بأبعاد 52 مم × 52 مم، دون استخدام زجاج تجاري أو تغليف كامل؛ وتُوصَّل الخلايا على التوالي، وتُثبَّت على نواة كروية من البوليسترين الرغوي غير الشفافة، حيث يغطي نحو 80% من السطح الكروي خلايا نشطة، بينما يُستخدم الجزء المتبقي للأسلاك والوصلات البينية والفواصل الميكانيكية. يتضمن التصميم البصري عاكسًا نصف كرويًا من الألومنيوم المصقول، يوجّه الضوء المنعكس إلى النصف السفلي من الكرة دون الحاجة إلى إضافة خلايا كهروضوئية. تبلغ البياضية الفعالة للعاكس 0.95، والمسافة الشعاعية 0.40 متر، ومساحة الانعكاس حوالي 3.07 متر مربع؛ وتُقدَّر مساحة الإسقاط الأرضي للجهاز بأكمله بنحو 1.74 متر مربع.
استخدم الفريق نظام مراقبة قائم على ESP32 لإجراء تجربة إثبات المفهوم في الهواء الطلق على مدى تسعة أيام، حيث سجّل الجهد والتيار والطاقة ودرجة حرارة السطح والمعايير البيئية، وقارنها بلوحة مرجعية مسطحة (ضُبطت اللوحة المرجعية بزاوية ميل ثابتة قدرها 25° وباتجاه جنوبي، مع ظروف اختبار مرجعية لمدينة الدوحة في قطر). خلال فترة الاختبار، أنتج النظام الكروي 183.17 واط/ساعة من الطاقة الكهربائية في ظل ظروف خارجية مختلفة عن ظروف الاختبار القياسية (STC)، وكانت الاستجابة الكهربائية تتغير بوضوح تبعًا للإشعاعية؛ وبعد تسعة أيام دون تنظيف، حافظ النموذج الكروي على نحو 92% من إنتاجه الأولي، وهو ما قد يشير وفقًا لفريق البحث إلى مقاومة الاتساخ، دون إجراء قياسات كمية للغبار. وتتوافق المنحنيات المقاسة مع الاتجاه اليومي المتوقع لتوافر الإشعاع الشمسي، مما يوفر دعمًا تجريبيًا للسلوك النوعي الذي تنبأ به النموذج الحساس للهندسة؛ وتُقدَّم ملاحظات درجة حرارة السطح المسجلة عبر التصوير بالأشعة تحت الحمراء كمؤشرات حرارية استرشادية فقط، ولا تُعتبر دليلًا مؤكدًا على ميزة حرارية.
أظهرت نتائج المحاكاة أنه خلال الفترة من يونيو إلى أغسطس 2025، أنتجت الكرة المدعومة بالعاكس 113.0 كيلوواط/ساعة لكل وحدة، بينما بلغ إنتاج الوحدة المرجعية المسطحة 105.3 كيلوواط/ساعة لكل وحدة، بزيادة قدرها 7.3%. غير أن المحاكاة السنوية المحسّنة اللاحقة عكست هذه الميزة: بلغ الإنتاج السنوي للكرة المدعومة بالعاكس 405.5 كيلوواط/ساعة لكل وحدة، بينما بلغت الوحدة المرجعية المسطحة حوالي 425.0 كيلوواط/ساعة سنويًا؛ ولم تتفوق الكرة على الوحدة المرجعية المسطحة إلا في 4 أشهر فقط من أصل 12 شهرًا، مما يشير إلى أن الميزة الرئيسية لهذا التصميم تكمن في استجابة اتجاهية أوسع، وليس في إنتاج طاقة سنوي أعلى باستمرار.
في ظل الافتراضات الاقتصادية الأولية، قُدِّرت التكلفة المعادلة للطاقة (LCOE) للنظام الكروي بنحو 0.0424 دولار أمريكي/كيلوواط/ساعة، مقابل 0.0320 دولار أمريكي للوحدة المرجعية المسطحة، أي بزيادة تبلغ حوالي 32.5%. وبشكل عام، أثبتت الدراسة قابلية التشغيل في الهواء الطلق والمزايا البصرية التي يوفرها العاكس، لكنها لم تُثبت بعد تفوقه في إنتاج الطاقة السنوي أو الأداء الحراري أو مقاومة الاتساخ أو الجدوى الاقتصادية. وخلص الفريق إلى أن العمل الحالي أسس قاعدة عملية على مستوى النموذج الأولي لتطوير الكهروضوئيات الكروية، وحدد التحسينات التصميمية الرئيسية المطلوبة للتحسين المستقبلي، بما في ذلك التغليف الواقي، وقياسات الإشعاعية المعايرة، والتقييم الكمي للاتساخ، واختبارات المتانة، والتحقق الخارجي على المدى الأطول.
