تقویت پنل خورشیدی با ذره‌بین! ۵۰ درصد بازدهی انرژی بیشتر با فناوری جدید آلمانی‌ها

محققان آلمانی با الهام از ذره‌بین، پنل‌های خورشیدی ساخته‌اند که با متمرکز کردن نور خورشید بازدهی پنل را به رقم بی‌سابقه ۳۶ درصد می‌رساند. این فناوری علاوه‌بر افزایش بازدهی پنل، مصرف مواد نیمه‌هادی و هزینه‌های تولید را نیز به شکل چشمگیری کاهش می‌دهد.

انرژی خورشید را می‌توان با متمرکز کردن آن بر روی یک ناحیه کوچک، تشدید کرد؛ مفهومی که هر کودکی با سوزاندن کاغذ به کمک ذره‌بین تجربه کرده است. همین ایده در اجاق‌های کوچک کمپینگ و کوره‌های خورشیدی عظیم نیز به کار رفته است. اکنون، دانشمندان در موسسه سیستم‌های انرژی خورشیدی فرانهوفر (Fraunhofer ISE) در فرایبورگ آلمان، این مفهوم را به سطح کاملاً جدیدی رسانده‌اند. آن‌ها موفق به ساخت پنل خورشیدی فتوولتائیک متمرکز میکروسکوپی (micro-CPV) شده‌اند که نه تنها بازدهی بسیار بالاتری دارد، بلکه هزینه تولید آن نیز کمتر است.

طرح‌های قبلی پنل‌های micro-CPV با مشکلات متعددی از جمله فرسودگی و تغییر رنگ قطعات اپتیکی در طول زمان مواجه بودند. همچنین بسیاری از آن‌ها برای خنک‌سازی قطعات به سیستم‌های مدیریت حرارتی فعال و پرهزینه نیاز داشتند.

طراحی نوآورانه پنل‌های خورشیدی میکرو CPV

به گزارش IEEE Spectrum، تیم تحقیقاتی فرانهوفر یک زیرماژول به مساحت حدود ۲۰۰ سانتی‌متر مربع ساختند. اگرچه این ماژول آزمایشی از یک پنل تجاری استاندارد کوچکتر بود، اما از آرایه‌ای ۱۰ در ۶ از سلول‌های micro-CPV تشکیل شده بود. برخلاف پروژه‌های مشابه که اغلب به فرآیندهای پیچیده و مواد گران‌قیمت مانند لنزهای سفارشی نیاز دارند، این طرح از روش‌های ساده‌تری بهره می‌برد.

محققان از زیرلایه‌های شیشه‌ای برای بردهای مدار چاپی خود استفاده کردند. این ماژول‌های فتوولتائیک را می‌توان با استفاده از دستگاه‌های مونتاژ استاندارد و پرسرعت Pick-and-Place مونتاژ کرد. لنزهای متمرکزکننده نیز با فناوری سیلیکون-روی-شیشه (silicon on glass) ساخته شده‌اند که هزینه‌ها را به شدت کاهش می‌دهد.

محققان تخمین می‌زنند که طراحی آن‌ها به کمتر از یک‌هزارم مواد نیمه‌هادی گران‌قیمت مورد نیاز در پنل‌های استاندارد نیاز دارد.

این سیستم از لنزهای محدب-مسطح (planoconvex) برای تمرکز نور خورشید استفاده می‌کند. بخش محدب از سیلیکون ساخته شده که ماده‌ای ارزان با خواص اپتیکی مناسب است. این لایه سیلیکونی به یک سطح شیشه‌ای صاف چسبانده می‌شود که به دلیل داشتن ضریب انبساط حرارتی مشابه، هم‌ترازی اپتیکی را در تغییرات دمایی حفظ می‌کند.

سلول‌های به کار رفته در این پنل از نوع پنج-پیوندی (five-junction) هستند که با لایه‌های متعدد خود، انرژی را از طول موج‌های مختلف نور خورشید جذب می‌کنند. این سلول‌های میکروسکوپی با ابعادی در حدود یک میلی‌متر روی یک زیرلایه شیشه‌ای نصب شده‌اند که به دفع حرارت ناشی از تمرکز نور کمک می‌کند. این طراحی به قدری کارآمد است که بدون نیاز به هیچ سیستم خنک‌کننده فعال، دمای پنل را تحت کنترل نگه می‌دارد.

i

نتایج شگفت‌انگیز در آزمون‌های واقعی

برای آزمایش‌های میدانی، پنل روی یک مکانیزم ردیابی دو محوره نصب شد تا لنزها بتوانند به طور مداوم نور مستقیم خورشید را دنبال کنند. نتایج آزمون‌ها که به مدت یک سال به طول انجامید، خیره‌کننده بود:

• این پنل در شرایط استاندارد آزمایشی به بازدهی تبدیل انرژی ۳۶ درصد دست یافت.
• در شرایط واقعی و میدانی، بازدهی پنل بین ۳۱.۴ تا ۳۳.۶ درصد ثبت شد.

برای مقایسه، بهترین پنل‌های خورشیدی تجاری موجود در بازار معمولاً بازدهی بین ۱۹ تا ۲۴ درصد دارند. این به آن معناست که فناوری جدید فرانهوفر حدود ۵۰ درصد انرژی بیشتری از خورشید استخراج می‌کند. پس از یک سال آزمایش مداوم، هیچ‌گونه افت عملکرد یا فرسودگی قابل توجهی در پنل مشاهده نشد.

تجاری‌سازی پنل‌های خورشیدی میکرو CPV

هنینگ هلمرز، رئیس دپارتمان فتوولتائیک و فناوری متمرکزکننده در فرانهوفر، می‌گوید:

ترکیب قطعات مینیاتوری و استفاده از فرایند‌های تولید موجود، نویدبخش کاهش چشمگیر هزینه در فناوری CPV است. همزمان، مصرف انرژی و منابع نیز کاهش می‌یابد که به کاهش اثرات زیست‌محیطی در کل چرخه عمر محصول منجر می‌شود.

با این حال، همه تحلیلگران در مورد جنبه اقتصادی این طرح متقاعد نشده‌اند. جنی چیس، تحلیلگر انرژی خورشیدی در BloombergNEF، اشاره می‌کند که مواد نیمه‌هادی این روزها به گرانی گذشته نیستند و مکانیزم ردیابی دو محوره هزینه زیادی به یک پروژه اضافه می‌کند.

در همین رابطه بخوانید:

– راهنمای خرید پنل خورشیدی و معرفی بهترین پنل خورشیدی بازار ایران

– طول عمر باتری خورشیدی خانگی و مهمترین نکات در نگهداری و افزایش کارایی آن

با وجود این، تیم فرانهوفر با تأسیس یک استارتاپ به نام Clearsun Energy، در حال آماده‌سازی این فناوری برای ورود به بازار تجاری است. این پیشرفت می‌تواند گامی بزرگ برای ارزان‌تر و کارآمدتر کردن انرژی خورشیدی باشد و آن را به جایگزینی جذاب‌تر برای سایر منابع انرژی تبدیل کند.

جزئیات کامل این پژوهش در مقاله‌ای در ژورنال معتبر IEEE Journal of Photovoltaics منتشر شده است.