هل تصبح بطاريات التدفق الشمسي خيار التخزين القادم؟
ابتكار بريطاني يسجل كفاءة تحويل غير مسبوقة
في ظل التوسع العالمي في الاعتماد على مصادر الطاقة المتجددة، تتزايد الحاجة إلى تقنيات تخزين متقدمة تُعالج الطبيعة المتقطعة للطاقة الشمسية. إحدى أبرز هذه التقنيات الواعدة هي بطاريات التدفق الشمسي (Solar Redox Flow Batteries SRFBs)، والتي تدمج بين توليد الطاقة الشمسية وتخزينها في نظام كهروكيميائي موحد. في هذا السياق، قدّم باحثون من جامعات Loughborough وHeriot-Watt في المملكة المتحدة إنجازًا مهمًا تمثل في تطوير بطارية تدفق شمسي بمساحة فعالة تبلغ 25 سم²، مسجلين كفاءة تحويل شمسية-كيميائية بلغت 9.54%، وكفاءة تحويل من الشمس إلى الكهرباء وصلت إلى 3.11% وهي من أعلى القيم التجريبية المسجلة حتى اليوم في هذا المجال الناشئ.
بطاريات التدفق الشمسي: الدمج بين التوليد والتخزين
تُعد بطاريات SRFBs خيارًا تقنيًا واعدًا لتخزين الطاقة، حيث تجمع بين الخلايا الضوئية ومكونات التخزين الكهروكيميائي في وحدة واحدة. يمكن تصنيف هذه الأنظمة إلى نوعين أساسيين:
- التكامل الأحادي (Monolithic Integration) بين وحدة كهرضوئية ضوئية وخلية تدفق كيميائية، ولكن هذا النموذج يعاني من تحديات تقنية مثل إعادة اتحاد الشحنات واختلال مستويات الطاقة.
- التكامل الفيزيائي (Physical Integration) من خلال ربط الخلية الشمسية وخلية التدفق عبر واجهات صلبة، مما يسمح بفصل المسارات الإلكترونية والأيونية وتعزيز الكفاءة الحرارية.
ولتحقيق أداء مثالي، يجب اختيار أزواج الأكسدة والاختزال (redox couples) بعناية لضمان توافقها مع الجهد التشغيلي لوحدة الخلية الشمسية. هذا التوافق ضروري لتقليل الحاجة إلى مصادر جهد إضافية، وزيادة كفاءة الشحن دون إهدار الطاقة.
الابتكار البريطاني: نظام صفري الفجوة بأداء تجريبي فائق
اعتمد الباحثون في دراستهم على نهج جديد يتمثل في دمج وحدة شمسية سيليكونية أحادية الوصلة من نوع SHJ بمساحة نشطة 25 سم² داخل نظام SRFB – صفر الفجوة – (Zero-gap configuration)
وتم اختيار زوج الأكسدة والاختزال من اليود والبروم في محلول محايد الأس الهيدروجيني (pH) بعد فحص أولي دقيق شمل:
- الجهد القياسي للتفاعل
- نطاق الجهد التشغيلي
- الذوبانية والتوافق مع الخلية الضوئية
وأثبت هذا الزوج الكيميائي توافقًا ممتازًا مع الأداء الكهربي لوحدة PV، مما مكّن من شحن البطارية الشمسية بكفاءة دون الحاجة لتحفيز كهربائي إضافي. وبيّنت النتائج أن تقارب منحنيات الجهد-التيار (I-V) بين الخلية الشمسية والنظام الكهروكيميائي قلّل من خسائر فرق التركيز، وضَمِنَ استقرار التشغيل ضمن النطاق المستهدف.
نتائج تجريبية رائدة:
أثبتت التجارب أن النظام الهجين يحقق أداءً غير مسبوق من حيث استقرار التشغيل وكفاءة التحويل، وجاءت النتائج على النحو التالي:
- كفاءة التحويل من الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية بلغت 54%
- أقصى كفاءة تحويل من الشمس إلى كهرباء وصلت إلى 11%
- الكفاءة المتوسطة خلال 360 ساعة من التشغيل المتواصل بلغت 44%
- تم توثيق أطول مدة تشغيل تجريبي لنظام SRFB أحادي الخلية حتى الآن، امتدت على مدار 39 دورة تشغيل بإجمالي 360 ساعة.
- الاختبارات الكهروكيميائية أظهرت قابلية عكسية واستقرارًا عاليًا لزوج اليود-بروم، كما حسّن استخدام المحاليل “المتوازنة تناضحيًا” من الاحتفاظ بالسعة ودورة التفريغ.
اعتبارات وتوصيات مستقبلية
وبرغم هذه النتائج المشجعة، أشار الباحثون إلى أن الضغط البخاري العالي للبروم قد يشكل تحديًا في التطبيقات طويلة الأمد، لكن يمكن معالجته من خلال استخدام مواد ماصّة خاصة أو تقنيات تحكم تمنع دورات الشحن/التفريغ العميقة. وبالنظر إلى الأبعاد الحالية المتاحة تجاريًا للخلايا الشمسية السيليكونية، يتوقع الفريق أن يتم بناء أنظمة SRFB المستقبلية من وحدات متعددة متصلة بمساحات نشطة تتراوح بين 200 و400 سم² لكل وحدة. كما تفتح الدراسة الباب أمام تحسينات تصميمية إضافية، مثل استخدام الهياكل متعددة الوصلات (Multijunction PVs) أو الأجهزة المتصلة كهروضوئيًا لتوسيع النطاق التشغيلي ورفع كفاءة النظام الكلي.
خلاصة: خطوة متقدمة نحو مستقبل أكثر استدامة
تعكس هذه الدراسة جدوى بطاريات التدفق الشمسي المبنية على تفاعلات محايدة الحموضة من اليود والبروم، وتبرز قدرتها على توفير حل واعد وفعّال لتخزين الطاقة الشمسية بطريقة مستدامة وقابلة للتوسعة الهندسية. وإذا ما تم تجاوز التحديات التقنية والبيئية المرتبطة ببعض المكونات، فقد تمثل هذه التقنية ركيزة استراتيجية للجيل القادم من أنظمة تخزين الطاقة المتجددة.
📚 المصدر:
Kim, J., Akhtar, T., Liu, Y., Smirnov, V., Kim, H., In, S.-I., Han, D.-H., & Bae, D. (2025). A 25 cm² single Si-based solar redox flow battery with aqueous iodine-bromine redox couples. Journal of Power Sources, 644, 237045. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2025.237045
