التقنيات الحرارية الكهربائية من الجيل التالي تحقق زيادة 15 مرة في إنتاج الطاقة الشمسية

نظرًا لأن الطاقة المتجددة تأتي من موارد طبيعية وتتجدد، يمكنها المساعدة في تقليل اعتمادنا على الوقود الأحفوري، ومعالجة تغير المناخ، وتلبية حاجتنا لمستقبل طاقة مستدام.

تشمل هذه المصادر الوفيرة والمتجددة طبيعياً ذات الانبعاثات القليلة ضوء الشمس، الرياح، الماء، الكتلة الحيوية، والحرارة الجوفية.

من بين هذه المصادر، الطاقة الشمسية هي المصدر الرئيسي للطاقة المتجددة. ومع الشمس كمصدر لا نهائي للطاقة، فإن الطاقة الشمسية لا تنضب، مما يجعلها أكثر مصادر الطاقة المتجددة وفرة المتاحة.

في عام 2024، وصلت الطاقة الشمسية العالمية إلى مستوى قياسي، حيث تجاوزت التركيبات 600 جيجاواط، بزيادة 33٪ عن العام السابق، لتشكل 81٪ من جميع سعات الطاقة المتجددة الجديدة عالميًا. ونتيجة لذلك، شكلت الطاقة الشمسية حوالي 7٪ من إمدادات الكهرباء العالمية، ما يقرب من مضاعفة حصتها في مزيج الكهرباء خلال ثلاث سنوات فقط.

تتوقع وكالة الطاقة الدولية (IEA) أن تصبح الخلايا الضوئية الشمسية (PV) أكبر مصدر للطاقة المتجددة بحلول عام 2029، مستفيدة من السياسات التنظيمية الداعمة والانخفاض الكبير في تكلفة الكهرباء المولدة من الألواح الشمسية.

خلية PV أو الخلية الشمسية هي جهاز يحول ضوء الشمس مباشرة إلى طاقة كهربائية. يمكن لبعض الخلايا حتى تحويل الضوء الصناعي إلى كهرباء. ومع ذلك، فهي ليست خالية من المشكلات. أحد القيود الرئيسية لخلية PV هو درجة حرارتها، التي تؤثر بشكل كبير على كفاءة التحويل.

هذا هو المكان الذي تظهر فيه تقنية أخرى مستخدمة على نطاق واسع، وهي التقنية الحرارية الشمسية (TE).

التجاوز من الخلايا الضوئية الشمسية إلى مولدات الطاقة الحرارية الشمسية (STEGs)

يمكن لمولد الطاقة الحرارية الكهربائية (TEG) معالجة تحدي كفاءة التحويل في خلايا PV عن طريق تحويل الحرارة المهدرة إلى طاقة كهربائية.

تُعرف مولدات الطاقة الحرارية الكهربائية بموثوقيتها العالية، وعمرها الطويل، وغياب الأجزاء الميكانيكية المتحركة، مما يجعلها خيارًا قابلاً للتنفيذ وواعدًا للدمج مع خلايا PV في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية.

المعروفة أيضًا باسم مولد سيبيك، مولد الطاقة الحرارية الكهربائية (TEG) هو جهاز يحول الحرارة مباشرة إلى كهرباء عبر تأثير سيبيك.

في هذا التأثير، يولد فرق درجة الحرارة بين موصلين أو شبه موصلين مختلفين جهدًا، نتيجة حركة حاملي الشحنة.

عند تطبيق الحرارة على أحد الموصلات أو شبه الموصلات، تتحرك الإلكترونات نحو الطرف البارد، محدثة فرقًا محتملًا. إذا تم توصيله عبر دائرة، يتدفق التيار المستمر من خلالها.

لذا، بناءً على تأثير سيبيك، تولد مواد TE جهدًا عندما تتعرض لفرق حرارة عبر أطرافها. عندما توضع بين ماص شمسي ومشتت حرارة لتأسيس فرق حرارة وتوليد الطاقة، تُسمىمُولدات الطاقة الحرارية الشمسية (STEGs).

تحدد كفاءة التحويل الحراري إلى كهربائي لهذه الـ STEGs بواسطة معامل الأداء غير المتناهي للمواد TE (ZT) وفارق الحرارة بين الجانب الساخن والجانب البارد عبر الجهاز. 

وبالتالي، يتمتع ماصات STEGs بعرض امتصاص أوسع بكثير، مما يسمح باستخدام طاقة الفوتونات لكامل طيف الشمس، على عكس خلايا PV الشمسية التي يمكنها استخدام نطاق ضيق فقط من ضوء الشمس بالقرب من فجوة الطاقة شبه الموصلة. ومع ذلك، فإن كفاءتها الحرارية الكهربائية منخفضة جدًا.

كما أشارت أحدث الأبحاث، لا يزال قيمة ZT لمادة TE تقريبًا حوالي واحد، حتى بعد عقود من البحث المكثف. يُعد ZT مقياسًا أساسيًا لتقييم أداء المواد الحرارية الكهربائية، حيث تشير قيمة ZT الأعلى إلى مادة حرارية كهربائية أكثر كفاءة لتوليد الكهرباء من فرق حرارة معين.

إن نقص المواد الحرارية الكهربائية ذات الكفاءة العالية ومشتتات الحرارة المدمجة لتبديد الحرارة هو ما يحد من تبني STEGs تجاريًا.

لمعالجة هذه القضايا، طوّر فريق من الباحثين استراتيجية يمكنها تعزيز توليد الطاقة للـ STEG بمقدار 15 مرة مع زيادة الوزن بنسبة 25٪ فقط.

تحديات كفاءة STEG: الحاجة إلى ماصات أفضل ومشتتات حرارة

تزداد احتياجات الطاقة العالمية بسرعة، مدفوعة بالنمو السكاني والاقتصادي.

وفقًا لـ IEA، الطلب العالمي على الكهرباء زاد بنسبة 4.3٪ في عام 2024، قفزة كبيرة مقارنة بزيادة 2.3٪ في عام 2023.

لذلك، مع تقدم الوقت، سيحتاج العالم إلى إمداد متزايد باستمرار من الطاقة، ولكن الأهم من ذلك، طاقة نظيفة لمكافحة تغير المناخ، خفض انبعاثات الغازات الدفيئة (GHG)، وتحقيق استقلالية الطاقة.

في هذا السعي نحو طاقة نظيفة مستدامة، لجأ الباحثون إلى مولدات الطاقة الحرارية الشمسية (STEGs) كمصدر واعد لتوليد الكهرباء الشمسية، لأنها قادرة على استغلال ليس فقط ضوء الشمس بل أيضًا أشكال أخرى من الطاقة الحرارية.

حاليًا، ومع ذلك، تحوّل معظم STEGs أقل من 1٪ من ضوء الشمس إلى كهرباء، في حين أن أنظمة الألواح الشمسية السكنية قادرة على تحقيق كفاءة تحويل تتراوح بين 15٪ إلى 20٪.

لذلك، للاستفادة الحقيقية من هذه الأجهزة، يجب علينا أولاً التغلب على قيود كفاءتها.

ما نحتاجه هو ابتكار طرق جديدة لتعزيز توليد الطاقة في STEG. تنتج مولدات الطاقة الحرارية الشمسية طاقة أكبر عند فروق حرارة أعلى، ويمكن تحقيق ذلك من خلال تعظيم امتصاص الطاقة الشمسية وتقليل فقدان الحرارة على الجانب الساخن مع تبديد الحرارة بكفاءة على الجانب البارد.

علاوة على ذلك، قد تكون STEGs ذات قيمة في تشغيل الإلكترونيات القابلة للارتداء، وأجهزة الاستشعار الطبية، وشبكات الاستشعار اللاسلكية، وأجهزة الطيران.

ومع ذلك، تتطلب هذه التطبيقات ذات الكثافة العالية للطاقة ماصات شمسية انتقائية خفيفة الوزن (SSAs) للجانب الساخن ومشتتات حرارة للجانب البارد. من أجل استغلال أقصى قدر من الطاقة الشمسية، يجب أن يظهر الماص (SSA) امتصاصًا بصريًا عاليًا في نطاق الطيف الشمسي (300–2500 نم) مع الحفاظ على انبعاثية منخفضة في الأشعة تحت الحمراء (2.5–20 μم) لتقليل فقدان الإشعاع.

يمكن تحسين الأداء البصري للماصات من خلال التصميم الهيكلي واختيار المواد.

يشمل ذلك الماصات البلازمونية، الماصات ذات الطبقة الخزفية المزدوجة، الماصات متعددة الطبقات، و الماصات البلورية الضوئية. ومع ذلك، بالرغم من كل هذه التطورات، تتطلب معظم الماصات معدات معقدة وعمليات تصنيع تستغرق وقتًا طويلاً، مما يحد من قابليتها للتوسع بتكلفة معقولة. 

بالإضافة إلى ذلك، يتطلب زيادة طاقة الخرج للـ STEG غالبًا أنظمة تبريد ضخمة ومعقدة لخفض درجة حرارة الجانب البارد وزيادة فرق الحرارة، مما يمثل تحديًا آخر.

اسحب للتمرير →

تقنية المعدن الأسود والليزر الفمتوثانية: استراتيجية تغير قواعد اللعبة

لتجاوز مشاكل STEG، قام الباحثون من معهد البصريات بجامعة روتشستر بتطوير استراتيجية هندسة طيفية وإدارة حرارية أدت إلى تقليل الوزن وزيادة إنتاج الطاقة.

تقنيات جديدة لإنشاء هذا الجهاز STEG الأقوى هي مفصلة في دراسة¹ نشرت في Light: Science and Applications.

“على مدى عقود، ركزت مجتمع البحث على تحسين المواد شبه الموصلة المستخدمة في STEGs وحقق تحسينات متواضعة في الكفاءة العامة.”

– تشونلي جو، أستاذ البصريات و الفيزياء وعالم أول في مختبر روتشستر لـ مختبر الطاقة الليزرية.

أضاف:

“في هذه الدراسة، لم نتعامل حتى مع المواد شبه الموصلة—بدلاً من ذلك، ركزنا على الجانبين الساخن والبارد للجهاز. من خلال الجمع بين امتصاص أفضل للطاقة الشمسية وحجز الحرارة على الجانب الساخن مع تبديد حرارة أفضل على الجانب البارد، حققنا تحسينًا مذهلاً في الكفاءة.”

المفتاح هنا كان تقنية المعدن الأسود الخاصة. في عام 2020، أظهر نفس الفريق أنهم باستخدام ليزر فمتوثانية (fs)، الذي ساعدهم في إنشاء هياكل معدنية لا تغرق² قبل ذلك ببضعة أشهر، كما تمكنوا من تطوير مولدات طاقة شمسية عالية الكفاءة³.

في ذلك الوقت، حولوا السطح اللامع والعاكس للغاية لمعدن إلى اللون الأسود تمامًا، مسمين إياه تقنية المعدن الأسود. باستخدام نبضات ليزر فمتوثانية، يمكنهم تحويل أي معدن تقريبًا إلى اللون الأسود تمامًا.

جرّب الفريق النحاس والصلب والألمنيوم والتنجستين. بعد المعالجة بهياكل نانوية، وجدوا أن التنجستين يمتلك أعلى كفاءة امتصاص شمسية. تمكنوا من تعزيز كفاءة إنتاج الطاقة الحرارية الكهربائية بنسبة 130٪ مقارنةً بالتنجستين غير المعالج، والذي يُستخدم عادةً كماص شمسي حراري.

لذا، بناءً على ذلك، حوّل الباحثون هذه المرة التنجستين العادي (W) على الجانب الساخن إلى ماص (W-SSA) باستخدام تقنية معالجة الليزر الفمتوثانية.

تم تحويل التنجستين إلى ‘معدن أسود’ عن طريق تحويل سطحه إلى اللون الأسود تمامًا، مما جعله فعالًا جدًا في امتصاص الضوء انتقائيًا عند الأطوال الموجية الشمسية مع تقليل تبديد الحرارة عند أطوال موجية أخرى.

تم تحقيق ذلك من خلال النقش الفائق السرعة والدقة، باستخدام نبضات ليزر fs القوية، التي أنشأت هياكل نانوية على سطح المعدن. لذا، بدلاً من تعديل المواد شبه الموصلة نفسها، حسّن الفريق طريقة امتصاص الجانب الساخن لأشعة الشمس واحتفاظه بالحرارة.

تم إنشاء حجرة دفيئة لماصات شمسية انتقائية من التنجستين (W-SSA) أيضًا لتقليل الفقدان الحراري الحراري.

لإنشاء دفيئة صغيرة، مثل على مزرعة، تم تغطية المعدن الأسود بقطعة من البلاستيك. قال جو: “يمكنك تقليل الحمل الحراري والانتقال لتجميع المزيد من الحرارة، مما يزيد من درجة الحرارة على الجانب الساخن.” تمكن الفريق من تقليل الفقدان الحراري بأكثر من 40٪.

في الوقت نفسه، على الجانب البارد، استُخدمت نفس تقنية الليزر لتحويل الألمنيوم العادي (Al) إلى مشتت حرارة عالي السعة مع هياكل دقيقة. هذا أنشأ مبدد حرارة لتحسين تبديد الحرارة عبر الإشعاع وكذلك الحمل الحراري. 

كان أداء التبريد للـ الألمنيوم المعالج مضاعفًا ما هو عليه لمشتت حرارة الألمنيوم العادي.

في كل ذلك، كما رأينا، لعبت تقنية معالجة الليزر الفمتوثانية دورًا رئيسيًا. ومن الجدير بالذكر أن هذه التقنية تتطلب خطوة واحدة فقط ويمكن توسيعها. يمكن أيضًا تطبيق هذه التقنية البسيطة للطرح على مجموعة من المواد ذات الهندسة المعقدة، مثل البوليمر، والزجاج، والعوازل، وشبه الموصلات، والمعادن.

نظرًا لأنها نهج مادي بحت، فهي أيضًا أكثر صداقة للبيئة مقارنة بالطرق الأخرى.

أنتج الليزر الفمتوثاني (واحد من كوادريليون من الثانية) مجموعة من البنى الدقيقة على الألمنيوم والبنى النانوية على التنجستين.

ثم، مكن تحسين حجم وكثافة هذه البنى الباحثين من تعزيز امتصاص الشمس للتنجستين مع تقليل انبعاثه في الأشعة تحت الحمراء على الجانب الساخن. حصلوا على كفاءة امتصاص تزيد عن 80٪ عند درجات حرارة مرتفعة.

على الجانب البارد، زادوا انبعاثية الأشعة تحت الحمراء عبر الطيف الكامل للإشعاع الأسود للألمنيوم ومساحته السطحية لتبديد الحرارة. هذا أدى إلى تحسين كبير في كفاءة التحويل من الشمس إلى الحرارة.

أظهر الفريق كيف يمكن استخدام مولد الطاقة الحرارية الشمسية (STEG) لتشغيل مصابيح LED بفعالية أكبر بكثير مقارنةً بالطرق الحالية.

التقنية، كما أشار غاو، يمكن أيضًا استخدامها لتشغيل الأجهزة الدقيقة مثل الأجهزة القابلة للارتداء، والأجهزة الذكية، وأجهزة الاستشعار المستقلة لإنترنت الأشياء (IoT). علاوة على ذلك، يمكن أن تكون نظام طاقة متجدد غير متصل بالشبكة في المناطق النائية والريفية.

كما أشارت الدراسة، يمكن أيضًا استخدام STEGs بالتزامن مع أجهزة الطاقة الشمسية المتقدمة، مثل أنظمة هجينة PV-TE ذات الانقسام الطيفي وخلايا شمسية حساسة للصبغة منخفضة التكلفة (DSC)، التي يمكنها توليد الطاقة في ظروف إضاءة منخفضة، وبالتالي تحسين إنتاج الطاقة للتطبيقات ذات الطلب العالي على الطاقة.

الاستثمار في الطاقة الشمسية

في مجال الطاقة المتجددة ، Nextracker Inc. (NXT ) تبرز كونها شركة ذات نمو عالي.

بقيمة سوقية تقدر بـ 10 مليارات دولار، تُتداول أسهم NXT حاليًا بسعر 67.59 دولار، مرتفعًا بنسبة 85٪ هذا العام حتى الآن. فقط الأسبوع الماضي، سجلت أسهم الشركة أعلى مستوى لها تقريبًا عند 69 دولار. ومع ذلك، فإن ربح السهم (TTM) هو 3.67، ومعدل السعر إلى الأرباح (TTM) هو 18.42. لا يوجد عائد توزيعات أرباح.

Nextracker Inc. (NXT )

Nextracker هي مزود منصة تكنولوجيا شمسية تقدم حلولًا كهربائية، ومتعقبات مدمجة، وأنظمة تحسين العائد والتحكم. تتيح تقنية الشركة المتقدمة لمحطات الطاقة الشمسية متابعة حركة الشمس عبر السماء وتحسين الأداء. 

تشمل منتجاتها وخدماتها NX Foundation، NX Horizon، NX Navigator، NX Global، PowerworX، TrueCapture، وخدمات توازن النظام الكهربائي (eBOS).

هذا الشهر، قامت Nextracker بإصدار تقرير الاستدامة الخاص بها، حيث أشارت إلى تحقيق معدل الحوادث القابلة للتسجيل (TRIR) بقيمة 0.61، متجاوزة هدف عمليات السلامة في الولايات المتحدة البالغ 1.2.

قدمت Nextracker حلول NX Foundation لتحسين نشر الطاقة الشمسية عبر جميع أنواع التربة. كما تم إصدار أنظمة متعقبات منخفضة الكربون (LCT) من NX Horizon لتقليل انبعاثات الكربون (المتعلقة بالمتعقبات) بنسبة قد تصل إلى 35٪.

فيما يتعلق بانبعاثات الغازات الدفيئة وكفاءة الموارد، التزمت الشركة بتحديد أهداف وفقًا للإطار المعترف به عالميًا (SBTi)، ونشرت أول مؤشر لإفصاح فريق العمل المالي المتعلق بالمناخ (TCFD)، وحصلت على ضمان من طرف ثالث لبيانات انبعاثات الغازات الدفيئة للنطاق 1 والنطاق 2، وحصلت على شهادة ISO 14001:2015 لنظام الإدارة البيئية في الولايات المتحدة.

تم أيضًا الحصول على شهادة ISO 9001 لإدارة الجودة عبر العمليات في الولايات المتحدة، الهند، والبرازيل.

في ظل ذلك، تم اختيار Nextracker مؤخرًا من قبل إحدى أكبر شركات الطاقة المتجددة في الدولة الأمريكية الجنوبية. اختارت Casa dos Ventos الشركة لتوفير 1.5 جيجاواط من أنظمة المتعقبات الشمسية لمشاريعها الأربعة الجديدة في البرازيل. وتشمل هذه المشاريع مشاريع شمسية ومشاريع هجينة شمسية-رياحية.

“إن الحصول على التزام متعدد المشاريع من قائد في مجال الطاقة المتجددة مثل Casa dos Ventos يعكس الأهمية المتزايدة للشراكات الموثوقة عندما يتعلق الأمر بالأداء والموثوقية على المدى الطويل في صناعة الطاقة الشمسية اليوم.”

– أليخو لوبيز، نائب الرئيس، Nextracker أمريكا اللاتينية

تعاونت Nextracker أيضًا مع جامعة كاليفورنيا بيركلي لإنشاء مركز بحثي جديد (مركز CAL-NEXT لأبحاث الطاقة الشمسية) لتطوير تكنولوجيا محطات الطاقة الشمسية لدعم احتياجات الطاقة المستقبلية. قدمت الشركة مساهمة بقيمة 6.5 مليون دولار للمبادرة.

فيما يتعلق بالبيانات المالية للشركة، في أواخر الشهر الماضي، أبلغت عن الربع الأول من السنة المالية 2026، التي انتهت في 27 يونيو 2025. خلال هذه الفترة، سجلت إيرادات بقيمة 864 مليون دولار، بزيادة 20٪ على أساس سنوي.

زاد الربح الإجمالي وفقًا لمبادئ GAAP بنسبة 19٪ على أساس سنوي ليصل إلى 282 مليون دولار، بينما ارتفع الدخل التشغيلي وفقًا لمبادئ GAAP بنسبة 16٪ على أساس سنوي إلى 186 مليون دولار. ارتفع الربح الإجمالي المعدل بنسبة 18٪ إلى 285 مليون دولار، وارتفع EBITDA المعدل بنسبة 23٪ إلى 215 مليون دولار. بلغ إجمالي الطلبات المتأخرة لـ Nextracker خلال هذه الفترة أكثر من 4.75 مليار دولار.

كما أبلغت عن تدفق نقدي تشغيلي بقيمة 81 مليون دولار ووجود 743 مليون دولار نقدًا في نهاية الربع، دون ديون. خلال هذا الربع، استثمرت الشركة 86.8 مليون دولار في عمليات استحواذ استراتيجية لدعم مبادرات النمو الجديدة.

“قدمت Nextracker ربعًا قويًا آخر عبر جميع المقاييس المالية الرئيسية وشهدت استمرار زخم حصة السوق.”

– المؤسس والرئيس التنفيذي دان شوجار

في الشهر الماضي فقط، أعلنت Nextracker عن إطلاق مبادرة أعمال الذكاء الاصطناعي والروبوتات. قال الدكتور فرانشيسكو بوريللي، المسؤول الجديد عن الذكاء الاصطناعي والروبوتات: “يتطلب توسيع نطاق الطاقة الشمسية لتلبية الطلب العالمي على الطاقة مستوى جديدًا من الاستقلالية في كيفية بناء وتشغيل محطات الطاقة.”

يأتي ذلك بعد استثمار أكثر من 40 مليون دولار في عمليات الاستحواذ لتعزيز نشر محطات الطاقة الشمسية، والموثوقية، والعائد على الاستثمار على المدى الطويل. وتشمل هذه الاستثمارات OnSight Technology للمسح الذاتي وأنظمة إنذار الحريق، SenseHawk IP لإنشاء خرائط ثلاثية الأبعاد عالية الدقة للمواقع الشمسية، وAmir Robotics لتقليل خسائر العائد المرتبطة بالتربة.

وفقًا لشوجار:

“مع ملايين المستشعرات وعقد التحكم التي تم نشرها بالفعل عبر ما يقرب من 100 جيجاواط من الأنظمة التشغيلية في 40 دولة، تمتلك Nextracker فرصة فريدة لاستغلال الذكاء الاصطناعي والروبوتات على نطاق واسع.”

أحدث أخبار وتطورات سهم Nextracker Inc. (NXT)

الخلاصة

الطاقة الشمسية هي واحدة من أكثر الطرق واعدة ونظيفة لتزويد العالم بالطاقة. بالفعل، يتزايد اعتماد الخلايا الضوئية الشمسية بسرعة، ولكن بالطبع، لن يعتمد مسار الطاقة المتجددة على تقنية واحدة فقط.

ستكون الأنظمة الهجينة التي تجمع بين الخلايا الضوئية، والطاقة الحرارية الكهربائية، والمواد النانوية المتقدمة مفتاحًا لمستقبل الطاقة الشمسية. 

في حين أن عدم كفاءة المواد كانت تقيد تقنية الطاقة الحرارية الشمسية في السابق، فإنها الآن تتجاوز الحواجز من خلال تقنيات إدارة حرارية جديدة وتقنيات النانوبنية. أحدث اختراق في STEGs يظهر أن الابتكار على مستوى المادة والبنية، وليس فقط أداء شبه الموصلات، يمكن أن يفتح تحسينات كفاءة ملحوظة ويساعد في تلبية الاحتياجات المتزايدة للطاقة.

انقر هنا للحصول على قائمة بأهم أسهم الطاقة المتجددة.

المراجع:

1. Xu, T., Wei, R., Singh, S.C., et al. زيادة 15 مرة في أداء مولد الطاقة الحرارية الشمسية من خلال هندسة طيفية بالليزر الفمتوثاني وإدارة حرارية. Light: Science & Applications, 14, 268, نُشر في 12 أغسطس 2025. https://doi.org/10.1038/s41377-025-01916-9
2. Zhan, Z., ElKabbash, M., Cheng, J., Zhang, J., Singh, S., & Guo, C. تجميع معدني فائق الطفو ومضاد للماء لتطبيقات مائية. ACS Applied Materials & Interfaces, 11(51), 48512–48517, نُشر في 26 ديسمبر 2019. https://doi.org/10.1021/acsami.9b15540
3. Jalil, S.A., Lai, B., ElKabbash, M., et al. التحكم في امتصاص الطيف للمعادن المعالجة بالليزر الفمتوثاني وتطبيقها في الأجهزة الشمسية الحرارية. Light: Science & Applications, 9, 14, نُشر في 4 فبراير 2020. https://doi.org/10.1038/s41377-020-0242-y