جامعة خاين الإسبانية تطور مستقبلاً كهروضوئياً بكفاءة تقارب 16.3% لنقل الطاقة اللاسلكي بالليزر

أخبار ar.wedoany.com، طوّر باحثون في جامعة خاين (Universidad de Jaén) الإسبانية مستقبلاً كهروضوئياً منخفض التركيز (LCPV) مخصصاً لنقل الطاقة اللاسلكي بالليزر (WLPT). يجمع هذا المستقبِل بين مُركِّز ضوئي متقاطع ذي سطح مكافئ مركّب (CCPC) ومخطط ربط كهربائي مُحسَّن، محققاً كفاءة تحويل للطاقة تقارب 16.3% تحت إضاءة ليزر غير موحّدة وبطول موجي 806 نانومتر.

يتيح نقل الطاقة اللاسلكي بالليزر إمداد الأجهزة ذاتية التشغيل وأجهزة الاستشعار عن بُعد والمنصات الجوية بالطاقة دون الحاجة إلى توصيل فيزيائي، إلا أن تطبيقاته تواجه قيوداً تتعلق بالمحاذاة البصرية وفقدان الغلاف الجوي وكفاءة التحويل وسلامة العين والوقاية من الحرائق، كما يُعد تأثير الإشعاع غير الموحّد أو الديناميكي على المستقبِلات الكهروضوئية عاملاً مقيداً مهماً.

لتحسين كفاءة التحويل والتفاوت الزاوي تحت إضاءة الليزر غير الموحّدة، طوّر الفريق مستقبِلاً كهروضوئياً منخفض التركيز بتكوين 3×3 واختبره تجريبياً. يتكون المستقبِل من 9 خلايا سيليكون أحادية البلورة بأبعاد 20×20 مم²، بتصميم الاتصال الخلفي المتشابك (IBC)، حيث تقترن كل خلية بمُركِّز CCPC. تبلغ فتحة دخول المُركِّز 2.5 ضعف مساحة الخلية، مما يقلل استخدام مادة أشباه الموصلات بنسبة 60% مقارنة بمستقبِل مكافئ غير مُركِّز؛ ويُصنع المُركِّز من بولي ميثيل ميثاكريلات (PMMA)، ويبلغ قطر الفتحة الأمامية للمستقبِل بأكمله 104×104 مم² (شاملاً الإطار الداعم)، وكتلته 123 غراماً.

أُجريت التجارب تحت إضاءة ليزر أحادية اللون بطول موجي 808 نانومتر، باستخدام حزمة غاوسية بقدرة 1.523 واط. أجرى الفريق قياسات التيار-الجهد (I-V) في ظل وجود وغياب مُركِّزات CCPC، وقياس خسائر الامتصاص البصري الناتجة عن مواد المُركِّز عبر قياسات الاستجابة الطيفية؛ كما سُجِّلت الاستجابة الكهربائية للخلايا التسع تحت قدرات وزوايا سقوط مختلفة، وحُسبت خسائر عدم التطابق (mismatch losses) في مخططات ربط متعددة (تسلسلية ومتوازية)، وقورنت القدرة المقاسة للوحدة بالمجموع المثالي للقدرة القصوى لكل خلية على حدة.

أظهرت النتائج أن تيار الدارة القصيرة هو المصدر الرئيسي للفروق بين الخلايا: فبقدرة 5 واط، كان تيار الدارة القصيرة للخلايا الطرفية أقل من 0.1 أمبير، بينما بلغ نحو 0.45 أمبير للخلية المركزية. وكان جهد الدارة المفتوحة وعامل التعبئة مستقرين نسبياً، مما يشير إلى أن عدم تطابق التيار هو العامل المحدد الرئيسي على مستوى الوحدة.

يمكن أن يؤدي تجميع الخلايا وفقاً للتيار الضوئي إلى تقليل الخسائر بشكل كبير. فقد اقترب ناتج مخطط الربط الحلقي من التكوين المثالي دون عدم تطابق: فبقدرة 5 واط، بقيت الخسائر أقل من 3%، بينما تجاوزت 58% في التكوين التسلسلي وبلغت نحو 6% في التكوين المتوازي. عند طول موجي 806 نانومتر، بلغت كفاءة تحويل الطاقة في التكوين الحلقي نحو 16.3%، بينما بلغت 6.9% في الربط التسلسلي و15.2% في الربط المتوازي؛ أما عند طول موجي 955 نانومتر، فبلغت القيمة المثلى النظرية 18.4%.

أظهر المستقبِل أيضاً تفاوتاً زاوياً عالياً: فعند زاوية سقوط 30°، بقيت القدرة القصوى عند 80% إلى 90% من قيمتها الاسمية؛ وعند إزاحة الحزمة خارج مساحة الاستقبال الفعالة، انخفض التيار الضوئي والقدرة القصوى بشكل ملحوظ عند زاوية سقوط 45°.

تشمل اتجاهات البحث المستقبلية رفع كفاءة التحويل من الليزر إلى الكهرباء، وتطوير مستقبِلات بزوايا استقبال أوسع وقدرة تحمل أكبر للإضاءة المكانية المتغيرة، ودمج أنظمة توجيه حزمة تكيفية وأنظمة إدارة طاقة، بما يسهم في تحقيق نقل طاقة لاسلكي لمسافات طويلة أكثر موثوقية وكفاءة في السيناريوهات التي يصعب فيها استخدام الحلول السلكية التقليدية أو البطاريات.

وخلص الفريق إلى أن استراتيجيات موازنة التيار الفعالة ومخططات الربط الملائمة تُعد ضرورية لتحقيق مستقبِلات كهروضوئية عالية الكفاءة تعمل بالطاقة الليزرية في ظل ظروف إشعاع حقيقية؛ وعند استخدام أجهزة أشباه موصلات عالية الكفاءة، يصبح إضافة عناصر بصرية محددة متطلباً تصميمياً أساسياً، إذ يتيح تقليص المساحة الفعالة لأشباه الموصلات بشكل كبير مع الحفاظ على كفاءة تحويل عالية وتفاوت زاوي واسع.

نُشرت النتائج في دورية "Optics & Laser Technology" تحت عنوان "Development and experimental characterization of a c-Si low concentrator photovoltaic receiver for wireless laser power transmission (WLPT) under non-uniform irradiance of 808 nm".

كما طوّر باحثون آخرون في جامعة خاين مؤخراً وحدة كهروضوئية شبه شفافة من السيليكون البلوري مع مُركِّز بصري خلفي، مخصصة لتطبيقات الزراعة الكهروضوئية. يهدف هذا التصميم إلى الموازنة بين الكفاءة العالية والشفافية البصرية، وتقليل ظل الألواح لتلبية متطلبات الاستخدامات الزراعية.