إن الطاقة الشمسية تمثل أحد أكثر الموارد المتجددة واعدة للحد من الاعتماد العالمي على الوقود الأحفوري والتخفيف من تغير المناخ، وقد تحسنت كفاءة لوحات الطاقة الكهربائية الضوئية على مدى العقد الماضي، ومع ذلك يواصل الباحثون البحث عن طرق جديدة لتقوية الطاقة من كل متر مربع من سطح الألواح، ومن بين العوامل الأقل إثارة للجدل، وإن كانت ذات تأثير كبير في هذا المطاردة مفهوم التوزيع الأمثل.

Understanding Radial Distribution in Solar Energy

ويصف التوزيع الإشعاعي في شكله الأبسط مدى وجود كمية من أنواع الغطاء النباتي، وطول الشمس، وطولها من نقطة مركزية، وعندما يضرب ضوء الشمس لوحة شمسية، فإنه ليس بطانية موحدة تماماً من الطاقة، فالشمس مصدر بعيد وممتد، وتأتي أشعه في اللوحة في زوايا مختلفة تبعاً لوقت النهار والموسم والتوزيع غير الرسمي.

وهذا المفهوم مهم بصفة خاصة في النظم التي تستخدم المتغيرات البصرية الموصلية، ولكنه يهم أيضاً الأفرقة المسطحة، وحتى في وحدة قياسية للسيليكون، فإن حواف الفريق تتلقى أقل ضوءاً من المركز بسبب زاوية الإصابة والظلال، وبتصميم لوحات ونظم تشكل هذه التباينات الإشعاعية، يمكن للمهندسين أن يستعيدوا الطاقة الضائعة ويحسنوا نسبة الأداء العامة.

توزيع الفيزياء خلف الضوء

ومن أجل تقدير مدى تأثير التوزيع الإشعاعي على الكفاءة، يجب أن يفهم المرء الفيزياء الأساسية للتفاعل بين الضوء والطفح، وعندما يضرب ضوء الشمس خلية شمسية، يمكن أن يحدث ثلاثة أشياء: التأمل أو الإرسال أو الاستيعاب، ولا يمكن إلا للصور الممتصة أن تولد الوصلات الكهربائية وتنتج الكهرباء، ويتوقف جزء من الضوء الذي يمتطى على الموجة، وزاوية حدوث الشوارع، والخصوم السطحية الثابتة.

ويبدأ التوزيع بالرواسب لأن زاوية الإصابة تختلف عبر سطح اللوحة، وبالنسبة لجهاز مسطح، فإن الأشعة من الشمس القريبة من المركز تنطوي على زاوية شبه طبيعية من الإصابة )التأمل المنخفض(، بينما تكون للأشعة التي تضرب الزوايا أو الحواف زاوية أعلى من الإصابة، وبالتالي انعكاس أعلى، ونتيجة لذلك، ترتفع كثافة التوزيع من النمط البصري المسطح إلى الخارج.

التوزيع الإشعاعي في مختلف تكنولوجيات الفريق الشمسي

ولا تتأثر جميع الألواح الشمسية بنفس القدر بالتوزيع الإشعاعي، فالتكنولوجيا التي خلف الخلايا وتصميم الوحدات يحدد مدى حساسية النظام بالنسبة للضوء غير الموحّد.

فرق النسيج الموحّدة

وتُصنع الألواح النسيجية من بلورة وحيدة نقية وتوفر أعلى قدر من الكفاءة بين تكنولوجيات السيليكون التجارية التي تتجاوز في كثير من الأحيان ٢٢ في المائة، وتنتج مظهرها المظلمة والوحيدة عن طلاء مضاد للتضخم يقلل من التأمل السطحي، غير أن آثار التوزيع الإشعاعي لا تزال تتسبب في انخفاض في الأداء في زوايا الارتفاع " ، وقد زادت سمات الصنع هذه بإضافة إلى النص.

Polycrystalline Silicon Panels

أما لوحات البوليكسترالين فهي أقل كفاءة (نحو 16 إلى 19 في المائة) ولكنها أرخص إنتاجاً، حيث أن سطحها الأزرق المكشوف مصنوع من أحبوب متعددة من السليكون، ويمكن أن تعمل حدود الحبوب كمراكز لإعادة التوحيد، وتخفض الكفاءة، ويمكن أن تؤدي أنماط التوزيع الإشعاعي إلى تفاقم هذه المشكلة لأن كثافة الضوء غير المتجانسة تؤدي إلى زيادة التوزع على مستويات الديكور الثانوية، وما إلى ذلك.

خلايا الشمس

ومن ثم فإن تكنولوجيات التلخيص ذات النسيج العالي مثل التليفزيون الكهرمومي (CdTe)، وسيلينيد الغاليوم، وسيلينيد النسيج الوميض، التي تُرسَل في إطار سلسلة من الرش غير الشعاعي، تُرفع إلى ممرات زجاجية أو معدنية، ولأن طبقة الاستيعاب هي سميكة قليلة، فإن التصفير الضوئي كثيرا ما يعتمد على السلوك الشفافي

الأفرقة الثنائية الوجهية

وتلتقط الوحدات الثنائية الوجه الضوء من السطح الأمامي والخلفي، وتزيد إنتاج الطاقة بنسبة 5-30 في المائة تبعاً للبطي الأرضي، ويزداد التوزيع الإشعاعي تعقيداً بالنسبة لللوحات ذات الوجهين لأن الجانب الخلفي يتلقى الانتشار عكس الضوء، الذي له توزيع مختلف عن سطح الشمس المباشر، ويستلزم تحسين التوزيع الإشعاعي للتصميمات الثنائية الوجه اختياراً دقيقاً للمواد ذات الغطاء الأرضي والزياء المتوازن للوحدة، لضمان أن يُستخدم الجانبان

المحور الفوتوقراطي

وتستعمل نظم الأشعة السينية عدسات أو مرايا لتركيز ضوء الشمس على خلايا متعددة الأبعاد صغيرة عالية الكفاءة، وهنا، يكون التوزيع الإشعاعي هو الشاغل الأول إذا لم يتم مواءمة البقعة المركزة تماما، ويمكن للخلية أن تفر وتتدهور، وتهبط إنتاج الطاقة انخفاضا حادا، وتستخدم وحدات الأشعة السينية الفوقية المضغوطة التتبع النشط (الكثافة القصوى) لإبقاء الشمس مركزا على محور البصري.

التقنيات الرئيسية لتحقيق التوزيع الإشعاعي على الوجه الأمثل

وقد وضع المهندسون مجموعة أدوات من الأساليب - التي اقترضت من بعضها من التصورات، ومن غيرها من المواد المتقدمة في مجال العلوم - لتحسين كيفية انتشار ضوء الشمس عبر الخلايا الشمسية، كما أن هذه التقنيات هي أكثر التقنيات تأثيرا.

الصداعات والمراير

تركيزات الرؤوس والمرايا الشائكة على ضوء الشمس بعامل يتراوح بين 100 و1000 وx، في حين أن الغرض الرئيسي منها هو تخفيض كمية المواد شبه الموصلية الغالية المطلوبة، فإنها تعيد أيضاً تشكيل التوزيع الإشعاعي، وينشئ مركز مصمم جيداً موقعاً موحداً في الطائرة بدلاً من توزيع غازي، غير أن المبادلات هي أن التتبع يجب أن يكون عالياً.

تركيبات سطحية وهياكل صغيرة

(أ) إن تركيب السطح الأمامي للخلية الشمسية التي تحتوي على هرم مجهري أو سمات عشوائية يقلل من التأمل بنسبة تصل إلى 50 في المائة مقارنة بسطح مسطح، والأهم من ذلك أنه يغير اتجاه الضوء القادم، مما يسبب أشعة يمكن أن تنعكس بدلاً من ذلك في الزنزانة، وهذا التأثير يحسن التوزيع الإشعاعي بضمان إعادة توجيه الضوء الذي يقترب من أطراف الخلية إلى النطاق الأمثل بدلاً من أن يُضَع النص المتقدم.

نظم تعقب النجوم

ويحتفظ جهاز تتبع الأحادي الجانب وأجهزة التكسس ذات العجلات المزدوجة بسطح اللوحات على مدار اليوم، حيث تخفض زاوية الإصابة عبر اللوحة بأكملها، ويزيل المتتبعون تقريباً مستويات التوزيع الإشعاعي التي تسببها زوايا مختلفة من الشمس، وتظهر البيانات الميدانية من المنشآت الكبيرة أن التتبع يمكن أن يعزز إنتاج الطاقة بنسبة تتراوح بين 25 و40 في المائة مقارنة بالمناطق ذات النفع المرتفع.

التكتلات المضادة للتقلبات

(أ) إنَّ مواضع [مضاد] الطاقة المُتَعَدَّدة في الغالب هي طبقة من النيديكون المُتَعَدَّد (SiNx[FLT:]) أو ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO)(2) ) - تُحدِّدُ المعاطف الأمامية

سطح نانو مهيكل

وفي مرحلة البحث المتطورة، فإن الأسطح ذات السمات النانوية - مثل النانوويرات، أو النانوكيات، أو الأنماط المتحركة - التي يمكن أن توفر استيعاباً شبه قابل للتأثر على نطاق واسع من الأطياف والزاوية، وتنشئ هذه الهياكل بالفعل مؤشراً للانفصام من الهواء إلى النسيج، ويزيل التأملات تماماً، كما أنها تبعث الضوء في نهاية المطاف إلى أنماط مضبوطة.

استحقاقات التوزيع الإشعاعي المعزَّز

تحسين كيفية انتشار ضوء الشمس عبر الألواح الشمسية يحقق فوائد ملموسة تتجاوز رقم الكفاءة الخام.

  • Higher energy yield:] Even a 1% improvement in uniformity can translate to 0.5-2% more annual energy production, depending on location and panel orientation. Field tests by ]NREL] showed that modules with optimized texturing and coatings produced up to 3% more energy over the course of a year design.
  • Improved performance under low —light conditions:] Panels with good radial distribution maintain output on cloudy days and at sunrise/sunset. This is critical for residential and commercial installations where the sun is often not directly overhead.
  • Reduced hot‐spot degradation:] Uniform illumination lowers the risk of localized heating, which can cause cell cracking or bypass diode activation. Modules with better radial distribution have longer lifetimes and higher reliable.
  • Smaller, cheaper panels: If radial distribution can be optimized to capture more light per unit area, manufacturers can either increase power output for the same panel size or use fewer cells to achieve a given wattage, reducing material costs.
  • Lower balanceof —system (BOS) costs:] Higher efficiency per panel means fewer panels are needed for a given system capacity, reducing racking, wiring, and installation labor.

التحديات والحدود

وعلى الرغم من المزايا الواضحة، فإن تنفيذ تحسينات التوزيع الإشعاعي ليس بدون عقبات، فالتحدي الأكثر إلحاحا هو التكلفة، فالأجهزة السطحية المتقدمة، والمعاطف المتعددة، وآليات التتبع تضيف إلى مصروفات التصنيع والتركيب، وبالنسبة للعديد من التطبيقات، فإن زيادة الكفاءة التدريجية قد لا تبرر الاستثمار الإضافي في الطوابق الأمامية، والتحد الثاني هو القابلية للدوام: ينبغي أن تستمر مساحات التحلل النانوجي، وفوائد التنظيف السطحي.

وثمة قيد آخر هو أن التوزيع الإشعاعي هو الأكثر فعالية في ضوء الشمس المباشر، وفي المناخ الذي يغطّي الغيوم الثقيل أو حمولات الهباء الجوي المرتفعة، يهيمن الضوء على الأشعة، ويصل الضوء من جميع الزوايا مع توزيع موحد طبيعيا، وبالتالي فإن الجهود الرامية إلى إعادة تشكيل الغلة الخفيفة المباشرة تقلل من العائدات، ولا يجري استكشاف نهج هجينة مثل النماذج التي تتحول بين التتبع والطرق الثابتة على نطاق واسع، ولكن لا يجري استكشافها بعد.

وأخيراً، هناك قيود عملية على الأجهزة الإلكترونية ذات المستوى المتوسط، وحتى إذا كان التصميم البصري يؤدي إلى توزيع نصفي مثالي على مستوى الخلايا، فإن الدائرة الكهربائية (الخلايا المترابطة) ستظل تعاني من سوء الفهم إذا كانت هناك اختلافات في أداء الخلايا، ويمكن أن تخفف الديدان من بعض المسائل، ولكن المكاسب الناتجة عن تحسين توزيع الضوء يمكن أن تضيع جزئياً إذا لم تكن الخلايا ذاتها قادرة على تحسين تطابق هيكلها.

التوجيهات والبحوث المستقبلية

إن الصناعة الشمسية لا تعتمد على مجاريها، إذ تعد عدة تكنولوجيات ناشئة بأن تجعل التوزيع الإشعاعي أكثر فعالية وكلفة.

]Adaptive optics and intelligence glass:] Researchers are developing panels that can change their optical properties in real time. For example, liquid —crystal or electrochmic layers can “steer” light toward the cells when the sun moves off‐axis. Such systems would combine the best of tracking and static partsto withoutalميكانيكي.

يمكن للهياكل المتطورة ذات الأنماط الفرعية أن تتلاعب بالضوء بطرق غير ممكنة بالصور التقليدية، ويمكن للميتاتر أن يكون فخاً خفيفاً مثالياً، ويستوعب 100 في المائة تقريباً من الصور الفوتوغرافية بغض النظر عن الزوال، بينما تكون هذه المواد مكلفة لإنتاجها في الأسواق، مع تقدم في مجال الملاحة البحرية.

يمكن أن تحفيز خوارزميات التعلم الماكنة ملايين النسيج السطحي المحتمل والمخططات البصرية لتحديد نمط التوزيع الإشعاعي الأمثل لموقع جغرافي معين ومقياس جغرافي للجوانب، وقد تستخدم الشركات مثل

Tandem solar cells with optimized optics:] Tandem (multijunction) cells stack different semiconductors to capture a broader spectrum of light. Each layer has a different opt opt opt--bsorption profile, and radial distribution must be tailored for each sub —cell. Researchers at

وأخيراً، فإن الجمع بين موارد الطاقة الموزعة والمتحولين الذكيين يتيح فرصة لاستخدام البيانات من أفرقة متعددة من أجل تعديل التوازن الدينامي للحمولة، والتعامل بفعالية مع ما تبقى من غير الوحدات في الميدان، ومفهوم " مراكز تركيز " - الإلكترونيات المستخدمة للطاقة، للجمع بين ناتج عدة وحدات وبين اتجاهات مختلفة - هو سبيل مثير للاهتمام للقيام بأعمال التوزيع الإشعاعي على مستوى المنظومة بدلاً من مستوى الخلايا.

خاتمة

ولا يمكن أن يكون التوزيع الإشعاعي على نطاق واسع مثل المعاطف المحتوية على الترددات الكهربائية أو البنى الخلوية العالية الكفاءة، ولكنه جانب أساسي من أداء الأفرقة الشمسية يؤثر على كل شيء من غلة الطاقة اليومية إلى الموثوقية الطويلة الأجل، وبفهم مدى انتشار الضوء على سطح الألواح وتطبيق تقنيات مثل النسيج السطحي، والتصورات المرتكزة، والتتبع، والتصميمات التي تسودها هياكل بحرية، يمكن للصناعة الشمسية أن تساعد على تحقيق مكاسب كبيرة في الكفاءة.