تقنية Fraunhofer ISE الجديدة: خلايا Micro-CPV بكفاءة 36% وتكلفة منخفضة

أعلن باحثون من معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (Fraunhofer ISE) في ألمانيا عن تطوير تقنية مبتكرة للخلايا الشمسية المُركَّزة المصغرة (Micro-Concentrator Photovoltaics) أو (Micro-CPV)، تجمع بين الكفاءة العالية والتكلفة المنخفضة، معتمدة على تقنيات تصنيع دقيقة مستخدمة في صناعة الإلكترونيات الدقيقة. وتهدف هذه التقنية إلى دعم استخدام الخلايا الشمسية في مشاريع الزراعة الكهروضوئية (Agri-PV)  ومحطات الطاقة الشمسية في المناطق الحارة والجافة.

 تصميم مبتكر بحجم مصغّر وكفاءة عالية

تعتمد تقنية Micro-CPV على خلايا شمسية متعددة الوصلات من نوع III-V بمساحة سطحية صغيرة جدًّا ˃1 مم²، وعدسات تركيز ميكروية، إلى جانب عدسة ثانوية كروية منخفضة التكلفة. تسهم هذه المكونات المصغّرة في تقليل الحاجة إلى مواد أشباه الموصلات بمقدار 1300 مرة مقارنةً بالخلايا التقليدية، كما تقلل من المساحة الكلية للوحدة بنسبة 30%، مما ينعكس على انخفاض التكاليف وتحسين الأداء.

تم تطوير الخلايا الشمسية الخماسية الوصلات المستخدمة في النموذج الأولي بالتعاون مع شركة Azur Space Solar Power، حيث تم دمج 60 وحدة خلية وعدسة ضمن وحدة واحدة بمساحة فتحة تبلغ 205.35 سم². وقد حقق النموذج كفاءة تحويل بلغت 36% وفقًا لمعيار IEC62670-3 في ظروف اختبار الخلايا المركزة  (CSTC)، وكفاءة تشغيلية بلغت 33% عند درجة حرارة تشغيل للخلايا تبلغ نحو 75°م.

نتائج ميدانية واستقرار طويل الأمد

أجريت اختبارات الأداء على مدار عام كامل في موقع اختبار تابع لـFraunhofer ISE  بمدينة فرايبورغ، باستخدام متتبع مزدوج المحاور. وقد أظهرت البيانات أن الكفاءة الشهرية المتوسطة تراوحت بين 31.4% و33.6% تحت الظروف الجوية السائدة، مع استقرار واضح في الأداء وعدم ظهور مؤشرات تدهور في الوحدة. ويجدر بالذكر أن هذه النتائج تم تحقيقها باستخدام مكونات منخفضة التكلفة وتقنيات تصنيع عالية الإنتاجية مثل عمليات لوحات الدوائر المطبوعة  (PCB)، ما يدل على الإمكانات التجارية الكبيرة لهذه التقنية.

 نمذجة إحصائية لضمان الجودة

من الابتكارات المصاحبة للتقنية الجديدة، قيام الفريق البحثي بتطوير نموذج إحصائي لتحليل تأثير الانحرافات التصنيعية على أداء الوحدات المصغّرة. وقد أظهرت الدراسة المنشورة في مجلة Solar Energy Materials and Solar Cells  أن هذه الأداة التحليلية تُعد أداة حاسمة لتحديد معايير التفاوت الحرجة التي تؤثر على الأداء في خطوط الإنتاج.

 نحو التطبيق التجاري  Clearsun Energy

صرّح البروفيسور فرانك ديمروث، رئيس قسم تكنولوجيا الخلايا الشمسية في Fraunhofer ISE، أن المعهد يستعد لإطلاق شركة ناشئة باسم “Clearsun Energy” بهدف تسويق تقنية Micro-CPV الجديدة في تطبيقات الزراعة الكهروضوئية والمحطات الشمسية في البيئات الحارة. ويجري حاليًا اختبار وحدات بمقاسات أكبر (60 سم × 45 سم) بالتعاون مع شركة Soltec في إسبانيا، باستخدام متتبع مخصص مزود بأجهزة استشعار ونماذج تجريبية غير فعالة لرصد الأداء الميداني.

 خلاصة

تقدم تقنية Micro-CPV من Fraunhofer ISE نموذجًا واعدًا لتقليل تكاليف الطاقة الشمسية دون التضحية بالكفاءة. بفضل التصميم المصغّر وتكامل مكونات منخفضة التكلفة، يمكن أن تُحدث هذه التقنية تحولًا في أسواق الطاقة الشمسية، خصوصًا في المناطق ذات الإشعاع الشمسي المرتفع. كما أن قابلية الإنتاج الواسعة واعتمادها على عمليات تصنيع معروفة تجعلها خيارًا جذابًا للانتقال من المختبر إلى السوق التجاري.

📚  المرجع:

Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE. (2024). micro-CPV – Development of a Highly Concentrating CPV Module Based on Modern Micro-Production Technology (Project No. 03EE1046A). Federal Ministry of Economic Affairs and Climate Action (BMWK). Retrieved from https://www.ise.fraunhofer.de/en/research-projects/micro-cpv.html