قضية الطاقة هي موضوع أبدي في عالم اليوم. لقد أدت إلى تطوير الأجهزة الإلكترونية، والمركبات الجديدة للطاقة، والشبكات الذكية. يمكن للطاقة الشمسية كمصدر طاقة نظيف ومستدام أن تعوض نقص البطارية، ويمكن للبطارية أن تعوض مشكلة التقطع في الطاقة الشمسية. كيف يمكن دمج الخلايا الشمسية وبطاريات تخزين الطاقة بشكل عضوي؟ مؤخراً، قام البروفيسور تشيكوان تشياو (المؤلف المراسل) من جامعة ولاية ساوث داكوتا في الولايات المتحدة بتلخيص ومناقشة والتطلع إلى المشاكل التي تواجه تصميم نظام متكامل لـ "الخلايا الشمسية - بطارية تخزين الطاقة". من بين هذه المشاكل، يتم تفسير ثلاثة معايير مهمة في نظام "الخلايا الشمسية - بطارية تخزين الطاقة" المتكامل: كثافة الطاقة، الكفاءة، والثبات، كل منها على حدة.

1. الحاجة إلى نظام متكامل للخلايا الشمسية وبطارية تخزين الطاقة

يعتمد المستهلكون الجماهيريون اليوم بشكل كبير على تقنيات الطاقة وتطورها. التقنيات الثلاث الرئيسية الحالية المتعلقة بالطاقة هي الإلكترونيات الذكية، والمركبات الكهربائية، والشبكات الذكية. تعتمد المنتجات الإلكترونية الذكية على بطاريات ذات سعة محدودة وتتطلب استخدام وصلات سلكية لشحن الأجهزة الإلكترونية بشكل متكرر. توفر الطاقة الشمسية أو الخلايا الكهروضوئية إمكانية شحن البطارية لأن كثافة الطاقة للطاقة الشمسية في ضوء الشمس الخارجي يمكن أن تصل إلى 100 مللي واط/سم². حالياً، هناك سوق مزدهر آخر وهو صناعة المركبات الكهربائية. على الرغم من أن المركبات الكهربائية لا تنتج انبعاثات كربونية، إلا أن معظم الكهرباء المستخدمة من قبل المركبات تأتي من شبكة الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري. ما لم تستخدم المركبات الكهرباء من مصادر متجددة، فإن استدامة المركبات الكهربائية تكون ذات أهمية قليلة. بالإضافة إلى ذلك، يحد توزيع محطات الشحن من تطبيقها العملي. التوليد الموزع مثل توليد الطاقة الكهروضوئية هو الطريقة الأنسب لشحن المركبات الكهربائية. تطبيق آخر واعد هو شبكة الطاقة. يتوسع استخدام الطاقة المتجددة بشكل مستمر. المشكلة الأكبر في استخدام الطاقة الكهروضوئية هي نقص ضوء الشمس في الليل أو في الأيام الغائمة، مما يؤدي إلى انقطاع في إمداد الطاقة أثناء الاستخدام. يمكن أن يؤدي هذا التقطع إلى تقلبات في خرج الطاقة، وهو قضية رئيسية لتطبيقات الشبكة. لذلك، تحد شركات الطاقة من كمية الطاقة الكهروضوئية التي تدخل الشبكة. ونتيجة لذلك، لا يتم استغلال إمكانات توليد الطاقة الكهروضوئية بالكامل. يمكن لبطارية تخزين الطاقة حل هذه المشاكل. يمكن شحن البطارية خلال النهار وتفريغها في الليل، مما يوفر إمكانية وصول توليد الطاقة الكهروضوئية إلى شبكة الطاقة.

2. مقارنة بين أنظمة "الخلايا الشمسية - بطارية تخزين الطاقة" التقليدية والمتقدمة

الطريقة التقليدية لاستخدام الخلية الشمسية لشحن البطارية هي أن يتم تصميم النظامين بشكل مستقل (الشكل 1A)، حيث يتم توصيل الخلية الشمسية وبطارية تخزين الطاقة كوحدتين منفصلتين بواسطة أسلاك. غالباً ما تكون هذه الأنظمة مكلفة، مرهقة، وغير مرنة. كما أنها تتطلب مساحة كبيرة نسبياً. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتسبب الأسلاك الخارجية في فقدان الطاقة.

دمج القدرة الإنتاجية وتخزين الطاقة في وحدة واحدة لتحقيق تصميم متكامل سيحل بشكل فعال مشكلة كثافة الطاقة للخلايا الشمسية والبطاريات. يتميز هذا التصميم بصغر الحجم، مما يقلل من التكلفة ويزيد من عملية النظام الكهروضوئي. على الرغم من وجود العديد من المزايا، لا تزال هناك تحديات كبيرة من حيث الكفاءة، والسعة، والثبات. حالياً، لا يزال البحث في هذا المجال في مراحله الأولى. يتركز البحث بشكل رئيسي على تصميم المواد والأجهزة.

يمكن تنفيذ أنظمة الخلايا الكهروضوئية المتكاملة في تكوينين مختلفين: ثلاثة أقطاب (الأشكال 1B و1C) وقطبين (الشكل 1D). في تصميم الثلاثة أقطاب، يُستخدم قطب واحد كقطب مشترك ككاثود أو أنود بين الجهاز الكهروضوئي والبطارية. في تكوين القطبين، يؤدي القطبان الموجب والسالب وظيفة تحويل الضوء ووظيفة تخزين الطاقة في نفس الوقت.

الشكل 1 تصميم مستقل للخلية الشمسية التقليدية وبطارية تخزين الطاقة (A)، تصميم ثلاثة أقطاب (B وC) وتصميم قطبين (D)

3. تصميم نوع الفصل الثنائي "الخلايا الشمسية - بطارية تخزين الطاقة"

تلخص هذه القسم أعمال تصميم "الخلايا الشمسية - بطارية تخزين الطاقة" المنفصلة للسابقة. يمكن دمج خلايا السيليكون الشمسية، وخلايا البيروفيسكايت الشمسية، والخلايا الشمسية الحساسة للأصباغ مع بطاريات الليثيوم أيون بأشكال مختلفة. من بينها، تظهر الأشكال 2A و2B استخدام أربع خلايا بيروفيسكايت شمسية متصلة على التوالي لشحن بطاريات الليثيوم أيون بكفاءة 7.36%. استخدم فريق تشياو تشيكوان في الورقة محولات وتتبع نقطة القدرة القصوى لتحقيق استخدام خلية بيروفيسكايت شمسية واحدة لشحن بطاريات الليثيوم أيون. وصلت الكفاءة إلى 9.36%. تم نشر نتائج الدراسة في مجلة Advance Energy Materials (الأشكال 2C و2D).

الشكل 2 نظام الخلايا الكهروضوئية المنفصل

(الشكل A، الشكل B) إعادة شحن بطاريات ليثيوم أيون Li4Ti5O12/LiFePO4 باستخدام أربع خلايا بيروفيسكايت شمسية

(الشكل C، الشكل D) إعادة شحن بطارية ليثيوم أيون Li4Ti5O12/LiCoO2 باستخدام خلية بيروفيسكايت شمسية واحدة بمساعدة محول DC-DC.

4. تصميم متكامل أحادي "الخلايا الشمسية - بطارية تخزين الطاقة"

يركز معظم أعمال التصميم على النظام المتكامل أحادي "الخلايا الشمسية—بطارية تخزين الطاقة" على دمج الخلايا الشمسية وتخزين الطاقة السعوي بدلاً من البطاريات. يمكن تقسيم النظام المتكامل إلى ثلاثة أنواع من التصاميم: (1) التكامل المباشر، (2) التكامل بمساعدة الضوء، و(3) التكامل مع بطارية التدفق المؤكسد المختزل. يشمل التكامل المباشر تكديس الخلايا الشمسية والبطاريات معاً (باستثناء بطاريات التدفق المؤكسد المختزل). يستخدم التكامل بمساعدة الضوء الطاقة الشمسية لشحن البطارية بجزء فقط من الطاقة. يشمل التكامل مع بطارية التدفق المؤكسد المختزل استخدام بطاريات التدفق المؤكسد المختزل مع الشحن الشمسي. تقدم المقالة ملخصاً مفصلاً لأعمال هؤلاء السابقين في هذه الأشكال الثلاثة. الأشكال 3 و4 و5 هي ممثلوهم النموذجيون.

الشكل 3 التكامل المباشر

مخطط تصميم ثلاثي الأقطاب (A) لشحن بطارية ليثيوم أيون Li4Ti5O12 / LiCoO2 باستخدام خلية شمسية من السيليكون وأداء دورة الشحن/التفريغ بالتيار المستمر (B). مخطط تصميم ثنائي الأقطاب (C) باستخدام صبغة مختلطة وفوسفات الحديد الليثيوم كمصعد، والليثيوم المعدني كمهبط، وعملية الشحن، ومنحنى جهد الشحن/التفريغ (D).

الشكل 4 التكامل بمساعدة الشحن الضوئي

مخطط (A) لتكامل قطب كهروضوئي حساس للأصباغ من TiO2 مع قطب أكسجين لبطارية ليثيوم-أكسجين ومنحنى الشحن (B). مخطط (C) لتكامل خلية شمسية حساسة للأصباغ مع بطارية ليثيوم أيون Li / LiFePO4 ومنحنى الشحن بمساعدة الضوء (D).

الشكل 5 التكامل بين الطاقة الشمسية وبطارية التدفق السائل

مخطط (A) لبطارية تدفق مؤكسد مختزل قابلة للشحن بالطاقة الشمسية تعتمد على محلول إلكتروليتي ثنائي الطور Li2WO4 / LiI ومنحنى جهد الشحن الكهروضوئي والتفريغ بالتيار المستمر (B). مخطط (C) لتكامل خلية كهروضوئية ثنائية السيليكون وبطارية تدفق مؤكسد مختزل من الكوين/البروم، ومنحنى التفريغ بالتيار المستمر (D) والكفاءة الكلية (E).

5. التحديات والفرص التقنية

5.1 كثافة الطاقة

تستخدم البطاريات التقليدية لليثيوم أيون طريقة التغليف الملفوفة لزيادة كثافة الطاقة، ولكن هذا غير ممكن في نظام التكامل "بطارية شمسية - بطارية تخزين". لأن طريقة تغليف بطارية الليثيوم أيون تؤثر على مساحة استقبال الطاقة الشمسية. يجب أن تتناسب كمية وأداء الخلايا الشمسية مع جزء التخزين لحل مشكلة مساحة سطح الألواح الشمسية المتاحة، وعدد البطاريات الممكن تكديسها، ومتطلبات مطابقة القدرة. يمكن استخدام مواد ذات سعة نوعية عالية كأقطاب لتحسين الكثافة الطاقية الكلية للنظام، مثل بطاريات السيليكون-NMC التي تتمتع بكثافة طاقة تبلغ 400 كيلوواط/كجم، والسيليكون هو أيضًا مادة ضوئية، فإذا تم استخدام السيليكون في النظام المتكامل كقطب لبطارية الليثيوم وأيضًا كقطب ضوئي، فسيكون ذلك تصميمًا مثاليًا. تحتاج خلايا السيليكون الشمسية إلى درجة عالية من التبلور، ولكن بعد إدخال الليثيوم ينخفض تبلور السيليكون، مما يتطلب إيجاد توازن مثالي. كما أن أبحاث بطاريات الليثيوم المعدنية توفر إمكانية لزيادة الكثافة الطاقية الكلية للنظام. بالإضافة إلى ذلك، تشير الأدبيات إلى أن مادة التحويل الضوئي البيروفيسكايت قد ثبتت قدرتها على استيعاب أيونات الليثيوم، وأن إدخال أيونات الليثيوم في البيروفيسكايت له تأثير إيجابي على أدائها الضوئي، مما يجعل البيروفيسكايت مادة ثنائية الوظيفة ذات سعة عالية محتملة لأنظمة الخلايا الشمسية المتكاملة. هذا مناسب للتطبيقات التي تتطلب كثافة طاقة حجمية عالية.

الشكل 6 كفاءة أنظمة التكامل "بطارية شمسية - بطارية تخزين" في السنوات الأخيرة

الكفاءة الكلية للنظام المتكامل المثالي هي حاصل ضرب كفاءة تحويل الطاقة الشمسية وكفاءة نظام التخزين، وتقتصر الكفاءة القصوى التي يمكن تحقيقها على كفاءة تحويل الطاقة الشمسية، وفي التصميم الواقعي يجب أيضًا مراعاة مختلف الخسائر. توفر خلايا السيليكون الشمسية وبطاريات البيروفيسكايت تحويلًا ضوئيًا كهربائيًا أكثر كفاءة، مما يعزز الكفاءة الكلية للنظام المتكامل. إذا أردنا زيادة كفاءة الخلايا الشمسية، يجب أيضًا مراعاة تتبع أقصى قدرة (MPPT) الذي يسمح للخلايا الشمسية بتوفير أقصى قدرة. أما بالنسبة لبطاريات التخزين، فيجب اختيار الأقطاب الموجبة والسالبة الأكثر توافقًا لتعظيم كفاءة كولوم.

5.3 الاستقرار

يجب مراعاة الاستقرار الضوئي، والاستقرار الكهروكيميائي، والاستقرار البيئي، وهذا يتطلب اختيارًا دقيقًا لمواد الأقطاب. على الرغم من التقدم المشجع في أبحاث استقرار خلايا البيروفيسكايت الشمسية، إلا أنها لا تزال في مرحلة البحث الأولي، وإذا تم اختيار البيروفيسكايت كجزء ضوئي في النظام المتكامل، فهناك حاجة إلى تقدم أكبر في أبحاث البيروفيسكايت. استخدام الإلكتروليت السائل لا يدعم استقرار النظام، ويمكن اختيار استخدام إلكتروليت صلب لتحسين أمان واستقرار النظام الكلي. وبما أن جزء الخلايا الشمسية يولد حرارة، يجب أيضًا مراعاة مقاومة درجات الحرارة العالية لمواد أقطاب بطارية التخزين.

6. اتجاهات وتطلعات المستقبل

نظام التكامل "بطارية شمسية - بطارية تخزين" لا يزال في مرحلة البحث والتطوير المبكرة. حتى الآن، ركزت الأدبيات على جدوى تطوير المواد المبتكرة وتصميم الأجهزة الجديدة، ويجب أن تستمر الأبحاث المستقبلية في هذا الاتجاه. تحتاج التصاميم الجديدة إلى الجمع بين السعة العالية، والكفاءة العالية، والمواد الأكثر استقرارًا. يمكن تحسين النظام المتكامل باستخدام استراتيجيات مثل استخدام مواد ذات وظيفتين للتحويل والتخزين الطاقي، واستخدام مواد تخزين ذات سعة كبيرة، وتتبع أقصى قدرة، وتكامل مكثفات أيون الليثيوم، واستخدام إلكتروليت صلب، وتحسين التوافق بين الأقطاب الكهروكيميائية والإلكتروليت. يمكن استخدام المحاكاة أو النمذجة لتوقع أداء النظام بشكل أفضل وتقديم تصميمات محسنة. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تركز الجهود المستقبلية على دمج نظام التكامل "بطارية شمسية - بطارية تخزين" مع التطبيقات العملية مثل شبكات الاستشعار، والأجهزة القابلة للارتداء، والأجهزة الإلكترونية. على الرغم من أن التسويق التجاري لنظام التكامل هذا لا يزال بعيدًا، إلا أن تطوره سيستفيد بشكل كبير من التقدم السريع في مجالات الخلايا الشمسية والبطاريات. كما أن اتجاه التطوير المستقبلي سينتقل من التطبيقات منخفضة الطاقة والمضغوطة إلى تطبيقات الطاقة واسعة النطاق.

المصدر: مواد نياو