المصدر: العلوم
تلتقط معظم الألواح الشمسية اليوم أشعة الشمس وتحولها إلى كهرباء فقط من الجانب المواجه للسماء. إذا كان الجانب السفلي المظلم للوحة الشمسية يمكنه أيضًا تحويل ضوء الشمس المنعكس عن الأرض ، فقد يتم توليد المزيد من الكهرباء.
تعمل الخلايا الشمسية على الوجهين بالفعل على تمكين الألواح من الجلوس عموديًا على الأرض أو على أسطح المنازل وحتى أفقياً كظلة لمحطة وقود ، لكن لم يكن من المعروف بالضبط مقدار الكهرباء التي يمكن أن تولدها هذه الألواح في النهاية أو الأموال التي يمكن أن توفرها.
تكشف الصيغة الديناميكية الحرارية الجديدة أن الخلايا ثنائية الوجود التي تشكل الألواح ذات الوجهين تولد في المتوسط ما بين 15 إلى 20٪ من أشعة الشمس إلى الكهرباء أكثر من الخلايا أحادية الوجه في الألواح الشمسية أحادية الجانب اليوم ، مع مراعاة التضاريس المختلفة مثل العشب والرمل ، ملموسة والأوساخ.
يمكن استخدام الصيغة ، التي طورها اثنان من علماء الفيزياء في جامعة بوردو ، في غضون دقائق لحساب أكبر قدر من الكهرباء يمكن أن تولده الخلايا الشمسية ثنائية الوجود في مجموعة متنوعة من البيئات ، على النحو المحدد بواسطة حد الديناميكا الحرارية.
"تتضمن الصيغة مجرد مثلث بسيط ، ولكن تقطير مشكلة الفيزياء المعقدة للغاية لهذه التركيبة البسيطة الأنيقة التي تتطلب سنوات من النمذجة والبحوث. سيساعد هذا المثلث الشركات على اتخاذ قرارات أفضل بشأن الاستثمارات في الجيل التالي من الخلايا الشمسية ومعرفة كيفية تصميم وقال محمد "أشرف" علام ، الأستاذ في جامعة بوردو جاي ن. غوبتا للهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات.
في مقال نشر في مجلة وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم ، علام والمؤلف المشارك ريان خان ، وهو الآن أستاذ مساعد في جامعة إيست ويست في بنغلاديش ، يوضحان أيضًا كيف يمكن استخدام الصيغة لحساب الحدود الديناميكية الحرارية لجميع الخلايا الشمسية المطورة في ال 50 سنة الماضية. يمكن تعميم هذه النتائج على التكنولوجيا التي من المحتمل تطويرها على مدار العشرين إلى الثلاثين عامًا القادمة.
والأمل هو أن تساعد هذه الحسابات المزارع الشمسية على الاستفادة الكاملة من الخلايا ثنائية الطور في وقت مبكر من استخدامها.
وقال علام "استغرق الأمر نحو 50 عامًا لتظهر الخلايا أحادية الوجه في الحقل بطريقة فعالة من حيث التكلفة". "لقد كانت التكنولوجيا ناجحة بشكل ملحوظ ، ولكننا نعرف الآن أنه لا يمكننا زيادة كفاءتها بشكل كبير بعد الآن أو تقليل التكلفة. ستقوم صيغتنا بتوجيه وتسريع عملية تطوير تقنية bifacial على نطاق زمني أسرع."
ربما تكون الورقة قد استقرت الرياضيات في الوقت المناسب: يقدر الخبراء أنه بحلول عام 2030 ، ستشكل الخلايا الشمسية ثنائية الوجود ما يقرب من نصف حصة السوق من الألواح الشمسية في جميع أنحاء العالم.
يُطلق على أسلوب علم "مثلث شوكلي-كويسر" ، لأنه يعتمد على التنبؤات التي وضعها الباحثان ويليام شوكلي وهانز-يواكيم كويسر على أقصى قدر من الكفاءة النظرية لخلية شمسية أحادية الوجه. يمكن تحديد هذه النقطة القصوى ، أو الحد الديناميكي الحراري ، على رسم بياني خط مائل إلى الأسفل يمثل شكل مثلث.
تظهر المعادلة أن زيادة كفاءة الخلايا الشمسية ثنائية الطور تزداد مع انعكاس الضوء من السطح. سيتم تحويل قدر كبير من الطاقة من الضوء المنعكس من الخرسانة ، على سبيل المثال ، مقارنة مع السطح مع الغطاء النباتي.
يستخدم الباحثون الصيغة للتوصية بتصميمات أفضل ثنائية السطح للوحات على الأراضي الزراعية ونوافذ المباني في المدن المكتظة بالسكان. تسمح الألواح الشفافة ذات الوجهين بتوليد الطاقة الشمسية في الأراضي الزراعية دون إلقاء ظلال من شأنها عرقلة إنتاج المحاصيل. وفي الوقت نفسه ، فإن إنشاء نوافذ ثنائية السطح للمباني من شأنه أن يساعد المدن على استخدام المزيد من الطاقة المتجددة.
وتوصي الورقة أيضًا بطرق لزيادة إمكانات الخلايا المشعة إلى أقصى حد من خلال معالجة عدد الحدود بين مواد أشباه الموصلات ، التي تسمى الوصلات ، والتي تسهل تدفق الكهرباء. توفر الخلايا ثنائية الشفة ذات الوصلات الفردية أكبر زيادة في الكفاءة بالنسبة للخلايا أحادية الوجه.
وقال خان: "المكسب النسبي ضئيل ، لكن المكسب المطلق كبير. تخسر الفائدة النسبية الأولية مع زيادة عدد الوصلات ، لكن المكسب المطلق مستمر في الارتفاع".
تم التحقق من صحة الصيغة المفصلة في الورقة ، وهي جاهزة للشركات لاستخدامها عند تحديد كيفية تصميم خلايا ثنائية الخلايا.