السلف في فيلم "ثينفيلم سولار" تكنولوجيات نظم الطاقة الموزعة

مقدمة: ثورة الطاقة الموزعة وثين - فيلم سولار

إن نظم الطاقة الموزعة - وهي توليد صغير الحجم يقع بالقرب من نقطة الاستخدام - تعيد تشكيل المشهد العالمي للطاقة، وقد أصبحت المواد الفوتوغرافية الشمسية العمود الفقري لهذه التحولات، ولكن الوحدات الجامدة والثقيلة التي تهيمن على أسطحها وميادينها ذات الفائدة ليست مثالية لكل بيئة، حيث إن توليد الطاقة الشمسية الرقيقة: عوامل الوزن الخفيف والمرنة والأكثر كفاءة التي تستبعد إمكانيات البناء التقليدية.

ما هي تقنية "النجمة الشمسية"؟

وتصنَّع خلايا شمسية من خلال إيداع طبقة أو أكثر من المواد الفولطية الضوئية - وهي عادة مجرد بضعة ميكرومترات سميكة - على طبقة فرعية مثل الزجاج أو الصلب اللاصق أو البلاستيك المرن، وخلافاً لوحدات النسيج الكريستالي التقليدية (المتذبذبة) التي تتطلب مواصف سميكة مجزأة من الغوغاء، تستخدم عمليات التر النثرية الأقل تلويثاً.

• Amorphous silicon (a —Si):] The earliest little efficientfilm material, used in small consumer devices and some building —integrated products. While its efficiency is lower than other efficient‐-linkms, its manufacturing process is grown and non-toxic.
• Cadmium telluride (CdTe):] Dominates the little-film market, especially from manufacturer First Solar. CdTe panels offer the lowest cost per wat among efficient-linkms and have achieved efficiencies above 22% in production.
• Copper indium selenide (CIGS):] holds the highest laboratory efficiency among little‐films (above 23%) and can be deposited on flexible substrates, making it ideal for portable and buildingintegrated applications.

وبالإضافة إلى ذلك، شهدت الخلايا الشمسية ذات المسافات العالية - وهي فئة أحدث من تكنولوجيا النيف - تقدما في البحوث المتعلقة بالمتفجرات، حيث تجاوزت الكفاءة المعتمدة حاليا 26 في المائة، وفي حين أن المزلاجات لا تزال تواجه تحديات تتعلق بالاستقرار والقابلية للارتقاء، فإنها تستعد لتصبح لاعبا رئيسيا في مجال الرشاقة، ولا سيما في تشكيلات الترادم مع السيليكون.

Key Recent Advances in Thin-Film Solar Technologies

1 - الإنجازات في الكفاءة

وقد تضاعفت الألواح النحيلة على مدى سنوات من كفاءة التحويل، ولكن هذه الفجوة تقلصت بشكل كبير، إذ أن وحدات الرش من طراز CdTe من طراز Solar الأول تحقق بصورة روتينية الآن كفاءة تتراوح بين 19 و22 في المائة في الظروف الميدانية، وقد دفعت خلايا البحث التابعة للشركة إلى 22.5 في المائة، وقد بلغت هذه الأرقام 23.3 في المائة في وحدة تجارية، كما أن التحسينات في الزينة قد رفعت سجلات صغيرة ذات كفاءة تفوق 23.5 في المائة.

وثمة سائق رئيسي هو تقنيات متقدمة للإدارة الخفيفة: الطلاءات المضادة للحشرات، والنصائح المضغوطة للضوء، والمفكرات الخلفية التي تكفل أن تكون للصور فرصا متعددة لاستيعابها، وهذه التحسينات البصرية هامة مثل التحسينات في الجودة المادية في دفع كفاءة الرشاقة إلى مستويات السيليكون دون تكلفة الوفير السماكة.

2- تعزيز مدة الخدمة وطولها

وقد عانت وحدات الرش النحيل المبكر من التدهور - ولا سيما السيليكون المزيف، الذي فقد إنتاجا كبيرا في الأشهر الأولى من التعرض له، وقد حلت الآن أساليب الطلاء الحديثة وتكنولوجيات التصفيق المتطورة، ومواد الكشوف الخلفية الكثير من هذه المسائل، وأصبحت وحدات التلقيم المتطورة تحتوي على ضمانات لمدة 25 سنة تتضمن ضمانات لإنتاج الطاقة مماثلة لمجموعات الصواريخ الصغيرة، التي تقدم في وقت سابق

وعلاوة على ذلك، أصبحت بروتوكولات الاختبار المتسارع للحياة - مثل اختبارات التفكيك المختلط للرطوبة والتقلب الحراري - معايير صناعية، تكفل أن تكون منتجات النحيل قادرة على تحمل المناخات القاسية، وبالنسبة للنظم الموزعة في البيئات الساحلية أو القاحلة، فإن هذه التطورات الديمومة بالغة الأهمية.

3 - انخفاض تكاليف الإنتاج وقابلية التصعيد

وتستمد ميزة تكلفة التصنيع من الرش النحيل من الاستخدام المنخفض للمواد وعمليات التخصيب العالية المخرجات، على سبيل المثال، تتطلب وحدات الـ (CdTe) أقل من 1 في المائة من المواد شبه الموصلية المستخدمة في وحدة مماثلة للسيليكون، وتشمل الابتكارات الأخيرة ما يلي:

• معدلات الترسيب السريع باستخدام التبعية الفضائية القريبة لـ CdTe
• تصنيع القيد من حيث الترميز للمركبات المرنة وخلايا البروفسكيت، مما يقلل كثيرا من المناولة وتكاليف رأس المال
• الرصد والتعلم الآلي في مجال الكشف عن العيوب في الوقت الحقيقي، وتعزيز العائد

وقدمت وزارة الطاقة في الولايات المتحدة الأمريكية مبادرة سونسهوت ] والبرامج اللاحقة تمويلاً ساعد على دفع تكاليف الـ (CdTe) إلى أقل من 0.30 دولار/W، مما جعل السائل رقيق القدرة على المنافسة مع النسيج المزود بمقياس للجوانب، أما بالنسبة للنظم الموزعة التي تكون فيها تكاليف التوازن عالية، فإن انخفاض سعر الوحدة يمكن أن يُسدّدّ الجدول الاقتصادي.

4- المرونة وتصميم الوزن الخفيف

وربما تكون أكثر سمات الملامح النحيلة قدرة على الامتثال لسطح غير طائر، ويمكن تطهير وحدات التصنت الم مرونة على الأسطح، وسدود البناء المكشوفة، وأسطح المركبات، وحتى الحقائب الخلفية، والمواد الفرعية الجديدة - مثل أفلام البوليميد وأفكار الفول ذات الصلصة اللاصقة - مما يسمح بأن تنحني طبقات المضغوطة دون أن تدق.

ويُعدّ الوزن عاملاً حاسماً آخر، إذ يزن فريق السيليكون العادي نحو 2.5 كيلوغرام/م2؛ ويمكن أن تبلغ وحدات المرونة في الرش النحيلة 0.5 كيلوغرام/م2، ويفتح هذا التخفيض تركيبة على أسطح ضعيفة هيكلياً (مثل المباني الصناعية القديمة والقضبان والموانئ) دون تعزيزات، وبالنسبة للنظم الموزعة في المناطق المعرضة للكوارث، فإن لوحات الوزن الخفيف يسهل نشرها بسرعة ويمكن تركيبها.

5 - المواد الناشئة ذات التمويل: Perovskites and Tandems

وقد أصبحت الخلايا الشمسية ذات الفولطية ذات الفولطية الضوئية الأكثر بحثاً في العقد الماضي، وقد تضاعفت كفاءة المختبر من 3.8 في المائة في عام 2009 إلى أكثر من 26 في المائة في خلايا الزلازل الوحيدة اليوم، وتشمل أوجه التقدم الرئيسية الأخيرة ما يلي:

• Improved stability:] Additives and passivation layers that reduce ion migration and moisture sensitivity.
• Scalable deposition:] Slot —die coating, inkjet printing, and vapor —based methods that can be integrated into roll —-toroll lines.
• Tandem cells:] Stacking a perovskite top cell (which absorbs highenergy photons) with a silicon or CIGS bottom cell (which captures the rest) has already produced efficiencies above 29%. This approach could push little-film past the ~27% practical limit of silicon alone.

أما الشركات مثل شركة أوكسفورد للكهرباء وخليات هانويك فهي بالفعل وحدات نموذجية لإنتاج التوابل بين البروفسكيت والمنبثقة، وإذا ما تم تسويقها على نطاق واسع، فإنها يمكن أن تعيد تحديد حدود الكفاءة من حيث التكلفة بالنسبة للشمس الموزعة.

تطبيقات في نظم الطاقة الكهربائية الموزعة

وتجعل خصائص ثينفيلم الفريدة من نوعها من الطبيعي أن يكون الجيل الموزع، حيث تختلف قيود التركيب وأنماط الحمل عن المزارع الشمسية المركزية، ويضاف إلى ذلك الأجزاء الرئيسية من التطبيقات.

روفيتوب سولار على المباني السكنية والتجارية

ويتزايد استخدام وحدات الـ (دي تي) و(سي إي تي) من النواحي ذات الوزن الخفيف على سقف مسطح أو منخفض حيث يفضل أن تتفادى نظم التراكم المتناثرة بالصابورة، ويقلل وزنها من الحمولة الهيكلية، وكثيرا ما يكون المظهر المظلم الموحد للوحات الرشاقة أكثر قبولا من النماذج البلورية التي بها فجوات خلوية واضحة، ويعرض بعض الصانعين البطاطين المرنة التي يمكن تركيبها مثلها.

وبالنسبة للمباني التجارية ذات الطلب العالي على الطاقة، يمكن أن تغطي نظم الرشاقة مساحات كبيرة من السقف مع إدخال تعديلات هيكلية أقل. وقد قام برنامج " إدارة الطاقة " التابعة للولايات المتحدة ببناء محركات مدمجة ذات طابع طوعي (BIPV) بتشجيع مشاريع يُطغى فيها الرش على بلاط السطحي، ولوحات المعادن، بل وعلى الجدران الستارة.

الحلول المحجوزة والرادعة

كما أن مرونة ووزن التلفاز يجعلان من المثلى للشحنات الشمسية المحمولة ومعدات التخييم والقوة الميدانية العسكرية، وقد مكّنت التطورات في نظام " سي دي إن إيه " من إنشاء لوحات مدمجة قابلة للطي يمكن أن تُلَم في حقيبة ظهرية وغير مُقيدة لشحن البطاريات من أجهزة الاتصالات أو المعدات الطبية.

المبنى Solar المدمج (BIPV)

فالملابس الشمسية والنوافذ والمصابيح ذات السماء تصبح قابلة للتطبيق تجاريا بفضل خلايا الرش النحيلة شبه الشفافة، ويمكن أن تُستخدم المواد العضوية والمصاهرات، على وجه الخصوص، لاستيعاب الجزء القريب من الأشعة تحت الحمراء من الطيف، مما يترك انتقالا خفيفا للنهار، وقد تم بالفعل تركيب وحدات شبه شفافة في تركيبات التفريغ المبردة وأجهزة التعبئة الزجاجية ذات الغرض المزدوج.

التعليم خارج النطاق العالمي والريفي

وفي المناطق التي تفصل فيها الهياكل الأساسية، توفر الألواح الشمسية ذات الرشاقة العالية - التي كثيرا ما تدمج في نظم المنشأ الشمسية - الكهرباء بأسعار معقولة، وتوفر قدرتها على تحمل درجات الحرارة العالية والظروف الخفيفة المنخفضة )تؤدي المسدودات عادة أفضل من السي في مجال نشر الضوء والحرارة( ما يجعلها مناسبة للبيئات الاستوائية، ويضع العديد من المشاريع الممولة من البنك الدولي في أفريقيا وآسيا الآن نماذج لمواد التر ذاتية الصغر للزرقيات المجتمعية.

مركبة مدمجة

فالمركبات الكهربائية والمركبات الترفيهية والطائرات بدون طيار تجريبها من جلدات شمسية خفيفة الوزن ويمكن أن تدمج في أسطح المركبات وأشرطة الشاحنات إلى بطاريات الشحن المخادعة، تمتد النطاق، وتعتمد السيارات ذات الطاقة الشمسية " ذات السنة الطويلة " ومختلف نظم أشعة الشمس للحافلات والشاحنات على خلايا مرنة من الرش.

التحديات والحدود

ورغم التقدم السريع، تواجه تكنولوجيات الرش الرقيق عقبات هامة قبل أن تتمكن من التخلص تماما من نظام cSi في التطبيقات الموزعة بشكل عام.

• Efficiency gap:] While laboratory records are impressive, commercial high-film modules typically lag behind monocrystalline silicon by several percentage points. For installations with limited roof area, higher-efficiency silicon may be preferred.
• Material scarcity and toxicity:] Indium (used in CIGS) and tellurium (in CdTe) are rare, creating supply constraints if production scales massively. Cadmium is toxic, requiring careful recycling protocols and potential regulatory hurdles in some jurisdictions.
• Stability of perovskites:] Even with recent improvements, perovskite cells degrade faster than silicon under standard temperature‐and —‐humidity cycling. Encapsulation and barrier technologies are improving but add cost. Commercial warranties comparable to silicon (25 years) are not yet widely offered for perovskite modules.
• Balanceof —of —system compatibility:] Many distributed systems are designed around standard silicon module dimensions and voltage/current profiles. Thin —film modules often have lower voltage output and different mounting requirements, which can increase installation and cost.

وتعالج البحوث الجارية في مؤسسات مثل مختبر الطاقة المتجددة الوطني هذه القضايا من خلال سبائك جديدة، وعمليات إعادة تدوير، ومستحضرات متقدمة.

التوقعات المستقبلية

إن مسار الطاقة الشمسية ذات النيف الخفيف في نظم الطاقة الموزعة هو مسار مشرق، ومن المتوقع أن تنمو القدرة العالمية على تركيب أجهزة التصفيح بمعدل سنوي مركب يتراوح بين 12 و15 في المائة و2030، ويقوده المشروع البنفسجي، والتطبيقات المحمولة، والصناعات البيروفسكية الناشئة، وستشكل عدة تطورات العقد القادم:

• Perovskite —silicon tandems:] If commercial modules reach 28 -30% efficiency, they could command a instalment in space —constrained distributed systems, offting higher cost with more power per square meter.
• Recycling and circular economy:] Thin-film panels contain valuable materials (indium, tellurium, silver). New recycling processes being developed by companies like First Solar can recover up to 90% of these materials, addressing sustainability concerns and reducing raw —material costs.
• Digital twins and AI optimization:] Thin -film modules respond differently to partial shading and temperature.
• Decentralized manufacturing:] because efficient flof-film deposition can be done on large, inexpensive sheets, there is potential for local manufacturing hubs that serve niche markets — a model that is difficult with capital — intensive silicon ingot and wafer production.

ومع تطور نظم الطاقة الموزعة من صفائف سطحية بسيطة إلى نظم الطاقة المتكاملة التي تشمل التخزين، وشحن المركبات الكهربائية، وإدارة الطلب، فإن الطاقة الشمسية ذات النيف المخففة ستوفر المرونة المادية وهيكل التكلفة اللازمين لتوليد الطاقة في البيئة المبنية، وقد تحولت أوجه التقدم في السنوات الخمس الماضية من منافس نيك إلى منافس خطير للموجة القادمة من الانتشار الشمسي - كما أن خط الأنابيب البحثي يبشر بمزيد من الكفاءة والدائمة.

وبالنسبة لمقدمي نظم المعلومات ومالكي المباني الذين يقيّمون خياراتهم، فإن الرشاقة لم تعد حلاً وسطاً؛ بل إنها خيار استراتيجي لتطبيقات موزعة تحديداً؛ ورصد آخر التطورات في مصادر مثل مجلة pv واتحادات الصناعة سيساعد أصحاب المصلحة على البقاء على علم بما أن تكنولوجيات النيف لا تزال ناضجة.