الطاقة الشمسية الليلية – كيف قد تقضي الثنائيات الحرارية الإشعاعية قريبًا على الحاجة إلى البطاريات

إحدى أكثر مصادر الطاقة وفرة وطبيعيةً التي نمتلكها هي الطاقة الشمسية. كل يوم، تشرق الشمس وتسطع ضوئها علينا، مُقدمةً لنا الحرارة والكهرباء.

حتى المناطق المعزولة والنائية والريفية يمكنها الاستفادة من هذا المصدر الطاقي، نظرًا لأن معظم مناطق هذا الكوكب تتلقى ضوء الشمس إلى حد ما. لا يلزم حتى كمية كبيرة من هذا المصدر غير القابل للنفاد؛ أقل من 10٪ من الطاقة الشمسية يكفي لمساعدتنا في تلبية الطلب العالمي على الطاقة.

كمصدر للطاقة المتجددة، لا ينتج أي انبعاثات غازات دفيئة ضارة، وهو ملائم جيدًا لشبكة الكهرباء والبطاريات.

استخدام ضوء الشمس ليس جديدًا تمامًا. كان البشر يستخدمون ضوء الشمس منذ القرن السابع قبل الميلاد لإشعال النيران عن طريق عكس أشعة الشمس على أجسام لامعة.

ومع ذلك، أدت التطورات التكنولوجية إلى جعل التقاط ضوء الشمس لتوليد الكهرباء ثم تخزينها للاستخدام لاحقًا فعالًا للغاية.

تقنيات الطاقة الشمسية تلتقط الإشعاع الكهرومغناطيسي، وهو الضوء المنبعث من الشمس، وتحوّله إلى أشكال مفيدة من الطاقة. هناك نوعان رئيسيان من تقنيات الطاقة الشمسية: الخلايا الضوئية (PV) المستخدمة في الألواح الشمسية، والطاقة الشمسية الحرارية المركزة (CSP).

الألواح الشمسية هي حاليًا أكثر الوسائل شيوعًا لإنتاج الكهرباء من الطاقة الشمسية. تتمتع ألواح PV بعمر مفيد يتراوح بين 20-25 سنة، ويتطلب صيانتها الحد الأدنى بمجرد تركيبها، باستثناء بعض التنظيف الدوري.

عادةً ما تُصنع من مادة شبه موصلة مثل السيليكون، وعندما تتعرض المادة لفوتونات ضوء الشمس، تُطلق إلكترونات وتنتج شحنة كهربائية. تُولد هذه الشحنة تيارًا كهربائيًا، يلتقطه الألواح الشمسية ثم يحوله العاكس إلى التيار المتناوب (AC) الذي يُستخدم لتشغيل أجهزتك.

تم اكتشاف تأثير الخلايا الضوئية (PV) فعليًا قبل عقود في عام 1839 عندما كان الفيزيائي الفرنسي إدموند بيكريل يجري تجارب على خلية مصنوعة من أقطاب معدنية في محلول موصل، ولاحظ أن الخلية تولد كهرباءً أكثر عند تعرضها للضوء.

ثم، في عام 1954، وُلدت تقنية PV مع تطوير خلية سيليكونية ضوئية، التي يمكنها امتصاص وتحويل طاقة الشمس إلى طاقة لتشغيل الأجهزة الكهربائية اليومية.

اليوم، تُدمج أنظمة الطاقة الشمسية ليس فقط في المنازل والشركات، بل أصبحت مزيجًا مهمًا من مصادر الطاقة المتجددة لتوفير إمدادات الطاقة.

في الواقع، تمتلك الطاقة الشمسية القدرة على تقليل استهلاك الكهرباء بشكل كبير، وتوليد طاقة احتياطية من خلال ربطها بالتخزين، والمساهمة في شبكة كهربائية مرنة، والعمل على نطاقات صغيرة وكبيرة بكفاءة مماثلة، وإيجاد فرص عمل وتحفيز النمو الاقتصادي.

في الوقت نفسه، من حيث التكلفة، إلى جانب تكاليف الأجهزة الواضحة، هناك أيضًا تكاليف ناعمة مثل التصاريح والتمويل وتركيب الأنظمة الشمسية، إلى جانب نفقات تشغيلية أخرى لهذه الشركات، والتي تؤثر على سعر الطاقة الشمسية.

على الرغم من أن الطاقة الشمسية تتمتع بفوائد هائلة، إلا أن التحدي لا يزال يكمن في التقطع. فكمية ضوء الشمس المتاحة، في النهاية، تتفاوت حسب الوقت والموقع والموسم.

على سبيل المثال، تولد الخلايا الضوئية الطاقة أساسًا في منتصف اليوم عندما تكون الشمس في أقصى سطوعها. بينما مكنت أنظمة التخزين الأكثر كفاءة وموثوقية من استخدام هذا المصدر طوال اليوم، حتى عندما تغرب الشمس أو يكون الجو غائمًا، يبحث الباحثون عن بدائل أفضل.

في عام 2022، حقق باحثون من جامعة نيو ساوث ويلز (UNSW) اختراقًا كبيرًا في هذا المجال، مما مكنهم من إنتاج الكهرباء من الطاقة الشمسية حتى أثناء الليل. تُنقل هذه التقنية الآن إلى الفضاء.

الطاقة الشمسية في الليل

إذًا، قبل عامين، في مايو، حقق فريق من UNSW هذا الاختراق الكبير في تكنولوجيا الطاقة المتجددة من خلال إنتاج الكهرباء من الطاقة الشمسية في الليل.

أنتج فريق الباحثين من مدرسة الهندسة الضوئية والطاقة المتجددة (SPREE) الكهرباء من الحرارة التي تصدرها الأرض على شكل ضوء تحت الأحمر (IL)، تمامًا كما يبرد الليل عن طريق الإشعاع إلى الفضاء.

لهذا، أنشأ الفريق جهازًا شبه موصل يُدعى الثنائي الحراري الإشعاعي. الثنائي هو جهاز شبه موصل يسمح بتدفق التيار في اتجاه واحد بينما يمنعه في الاتجاه الآخر. يقومون بتحويل التيار المتناوب (AC) إلى تيار مستمر نابض (DC).

في الوقت نفسه، ينتج الثنائي الحراري الإشعاعي (TRD) الكهرباء عن طريق انبعاث IL. يمكنه توليد الطاقة من أي سطح دافئ وبالتالي يمتلك القدرة على توفير الطاقة الشمسية في الليل. تم تصنيع الثنائي الحراري الإشعاعي من قبل الفريق باستخدام مواد تُستعمل في نظارات الرؤية الليلية (NV) لتوليد الكهرباء من الضوء تحت الأحمر المنبعث.

فيما يتعلق بسعة الطاقة، كانت صغيرة جدًا، أي أقل بـ 100,000 مرة من ما توفره اللوحة الشمسية. رغم ذلك، اعتقد الباحثون أن النتيجة يمكن تحسينها في المستقبل. وفقًا لقائد الفريق الأستاذ المشارك نيد إكينز-داوكيس:

لقد قدمنا عرضًا واضحًا للطاقة الكهربائية من ثنائي حراري إشعاعي.

شرح كيف يمكننا باستخدام كاميرات التصوير الحراري رؤية كمية الإشعاع في الليل. ومع ذلك، يقتصر ذلك على الأشعة تحت الحمراء (الإشعاع الكهرومغناطيسي بطول موجي يتراوح بين 760 نانومتر و100,000 نانومتر) وليس الطول الموجي المرئي (الذي يتراوح بين 380 و780 نانومتر). لذا، صمم الفريق جهازًا “يمكنه توليد الطاقة الكهربائية من انبعاث الإشعاع الحراري تحت الأحمر”.

في النهاية، لا يزال العملية تستغل الطاقة الشمسية، كما قال الأستاذ إكينز-داوكيس. خلال النهار، تصطدم أشعة الشمس بكوكبنا، مما يدفئه. وهذه الطاقة نفسها تُشع مرة أخرى إلى الفضاء البارد الواسع في الليل على شكل ضوء تحت الأحمر. تستغل فكرة الثنائي الإشعاعي هذه العملية، وقد أثبت الفريق قدرته على توليد الكهرباء.

كلما كان هناك تدفق للطاقة، يمكننا تحويلها بين أشكال مختلفة.

– قائد الفريق الأستاذ إكينز-داوكيس

كما طورنا العملية الاصطناعية للخلايا الضوئية للتحويل المباشر لضوء الشمس إلى كهرباء، بالمثل، مع العملية الحرارية الإشعاعية، تم تحويل الطاقة المتدفقة تحت الأحمر من الأرض الدافئة إلى الكون البارد.

وبالمثل، كما يمكن للخلية الشمسية أن تنتج الكهرباء بامتصاص ضوء الشمس، ينتج الثنائي الحراري الإشعاعي الكهرباء عن طريق انبعاث الضوء تحت الأحمر إلى بيئة أبرد.

في الحالتين، الفرق في درجة الحرارة هو ما يسمح لنا بتوليد الكهرباء.

– المؤلفة المشاركة في الورقة، الدكتورة فويبي بيرس

ما كان في السابق عملية نظرية تم إنجازها عمليًا من قبل الفريق لتأكيد أنه يمكن تصنيع أجهزة متخصصة وأكثر كفاءة بكثير في المستقبل لالتقاط الطاقة على نطاق أوسع بكثير.

قارن الأستاذ إكينز-داوكيس البحث الجديد بعمل مهندسي مختبرات بيل عندما عرضوا أول خلية شمسية سيليكونية عملية، والتي كانت كفاءتها حوالي 2٪ فقط. لقد قطعنا شوطًا طويلًا منذ ذلك الحين، حيث يمكننا الآن تحويل نحو 23٪ من ضوء الشمس إلى كهرباء.

وفقًا للمؤلف المشارك الدكتورة مايكل نيلسن:

حتى وإن كان تجاريًّا لهذه التقنيات لا يزال بعيدًا، فإن الوقوف في بداية فكرة متطورة هو مكان مثير للغاية للباحث.

وفقًا للباحثين، يمكن لهذه التقنية الجديدة أن تجد العديد من التطبيقات في المستقبل بما في ذلك تشغيل الأجهزة البيونية مثل القلوب الاصطناعية التي تستخدم حاليًا بطاريات تحتاج إلى استبدال دوري. لذا، قد تُزيل تقنيتهم المبتكرة الحاجة إلى البطاريات في بعض الأجهزة أو تساعد على شحنها.

حتى الآن، تمكن الثنائي الإشعاعي من توليد “قوة منخفضة نسبيًا جدًا”. كان من الصعب اكتشاف هذه القوة، ولا يزال هناك ما يقرب من عقد من البحث الجامعي قبل أن تتبنى الصناعة هذه التقنية. لكن من الناحية النظرية، من الممكن أن “تنتج التقنية في النهاية نحو عُشر طاقة الخلية الشمسية”.

بعد “العرض الواضح للطاقة الكهربائية”، بدأ الفريق بالعمل على مادة جديدة أسهل في التصنيع، وبالتالي لتوسيع النطاق.

في الوقت نفسه، يعمل الفريق على تطبيق تقنيتهم على المركبات الفضائية مثل الأقمار الصناعية. الأقمار الصناعية التي تعمل بالطاقة الشمسية ليست شيئًا جديدًا، فقد تم عرضها لأول مرة في عام 1958.

تعمل هذه المركبات الفضائية بفضل الخلايا الشمسية، وتعتمد على البطاريات خلال ظروف الكسوف. لذا، يطبق باحثو UNSW الآن التقنية لتوليد الطاقة للأقمار الصناعية أثناء دورانها في الظلام.

التقنية التي استُخدمت لأول مرة في الفضاء، تُستخدم الآن لإنتاج كميات هائلة من الكهرباء من الطاقة الشمسية لمنازلنا، وبطريقة مماثلة، يعتزم الأستاذ إكينز-داوكيس “إطلاق الثنائي الإشعاعي في الفضاء خلال العامين القادمين”.

انقر هنا لتعرف لماذا يشير زيادة استخدام الطاقة الشمسية إلى بداية العصر الشمسي.

التحول إلى الطاقة الشمسية النظيفة والوفيرة

نظرًا لأن الألواح الشمسية تحتاج إلى ضوء الشمس لتوليد الطاقة وبالتالي لا يمكنها العمل في الليل، فقد تم إجراء الكثير من الأبحاث والتطوير للبحث عن حلول لهذه المشكلة.

إحدى الطرق التي تم التعامل معها هي تخزين البطاريات، التي تُستخدم لتخزين فائض إنتاج الطاقة. يمكن بعد ذلك استخدام هذه الطاقة المخزنة في أي وقت، ليلاً أو في أيام الغيوم. مثل Tesla (TSLA ) Powerwall أو Generac PWRcell تقدم بديلاً لذلك. تعمل هذه البنوك البطارية كمصادر كهرباء خارج الشبكة أثناء انقطاع التيار.

طريقة أخرى هي القياس الصافي. هنا، يتيح لك الوصول إلى برنامج شراء الطاقة الشمسية استخدام شبكة الطاقة المحلية كبطاريتك. للحصول على ائتمانات الفاتورة، عليك إرسال الطاقة الزائدة التي تولدها الألواح الشمسية خلال النهار إلى الشبكة. سيتم تطبيق الائتمانات المكتسبة على فاتورة الطاقة لتغطية استهلاكك الليلي للطاقة.

لقد أنشأ الباحثون حتى ألواحًا شمسية تجمع الكهرباء من السماء الليلية. على سبيل المثال، تعمل الخلايا المضادة للشمس عكسًا للخلية الشمسية خلال النهار. ثم هناك ألواح تعمل بالاحتكاك تحول الحركة إلى طاقة وتستغل طاقة الإشعاع من الأسطح الدافئة.

مؤخرًا، صمم علماء من جامعة ستانفورد نوعًا جديدًا من الألواح الشمسية لإنتاج الكهرباء في الليل. لهذا، دمجوا مولدًا حراريًا كهربائيًا في خلايا الطاقة الشمسية التقليدية. لا يقتصر دوره على توفير توليد طاقة مستمر فحسب، بل يحسن الكفاءة أيضًا خلال النهار.

ثم هناك شركة ناشئة مقرها كاليفورنيا تُدعى Reflect Orbital، التي شاركت خطتها لبيع ضوء الشمس في الليل. لتحقيق ذلك، تخطط لاستخدام مجموعة من الأقمار الصناعية المجهزة بمرآة من المايلار، والتي ستدور على ارتفاع 370 ميل فوق السطح. ستعكس هذه المرايا ضوء الشمس على الألواح الشمسية على سطح الأرض.

نعتقد أن ضوء الشمس هو النفط الجديد، والفضاء جاهز لدعم بنية الطاقة التحتية.

– المؤسس المشارك لشركة Reflect Orbital بن نوواك على X (سابقًا تويتر)

إذا نظرنا إلى الأرقام، فإن الطاقة الشمسية تتصدر بالتأكيد بين مصادر الطاقة النظيفة. كان عام 2023 في الواقع عامًا قياسيًا لهذا المصدر حيث نشرت العالم 447 جيجاواط من السعة الشمسية الجديدة، أي 78٪ من إجمالي الإضافة الجديدة لسعة الطاقة المتجددة. وبزيادة قدرها 87٪ مقارنة بالعام السابق، سجل سوق الطاقة الشمسية العالمي معدل نمو لم يُشهد منذ عام 2010.

قادت الصين معظم هذا النمو، فهي أكبر سوق للطاقة الشمسية في العالم. أضافت 253 جيجاواط من سعة الخلايا الضوئية الشمسية الجديدة، بزيادة قدرها 167٪، وكانت مسؤولة عن 57٪ من السعة المثبتة عالميًا العام الماضي.

كان هذا “النمو غير المتوقع” في إجمالي الطاقة الشمسية، وفقًا لـ نظرة السوق العالمية للطاقة الشمسية 2024-2028، نتيجة لانهيار هائل في أسعار الوحدات بنحو 50٪. جاء هذا الانخفاض بسبب زيادة كبيرة في قدرات تصنيع الخلايا الضوئية عالميًا مما أدى إلى فائض في السعات.

إلى جانب طلبات السنوات السابقة التي تم تركيبها أخيرًا في عام 2023، تحولت الأفراد والشركات والحكومات إلى الطاقة الشمسية كحل موثوق وفعّال من حيث التكلفة لمواجهة أسعار الطاقة المرتفعة.

بفضل توافر منتجات إضافية، وتحسينات التكلفة، والعديد من الفوائد التي توفرها التقنية، يتوقع التقرير “نموًا كبيرًا في الطلب على طاقة الخلايا الضوئية الشمسية في السنوات القادمة”.

الشركات التي تدفع قطاع الطاقة الشمسية إلى الأمام

الآن، دعونا نلقي نظرة على بعض الأسماء البارزة التي اتخذت طرقًا بديلة لتوليد الطاقة.

Clearway Energy (CWEN ) (CWEN ) هي إحدى الشركات التي تشغل مزارع رياح ومحطات طاقة شمسية لتوفير طاقة نظيفة ومتجددة، بينما تركز Ormat Technologies (ORA ) على توليد الطاقة الحرارية الجوفية. Heliogen هي اسم آخر في هذا المجال، وتستخدم الذكاء الاصطناعي وتقنية المرايا المتقدمة لتكثيف ضوء الشمس وتوليد الكهرباء. Enphase Energy (ENPH ) و Piedmont Lithium (ELVR ) تقودان مجال تخزين الطاقة.

#1. Bloom Energy

تستخدم هذه الشركة تقنية خلايا الوقود من أكسيد الصلب لتوليد كهرباء موثوقة وفعّالة. من خلال استخدام خوادم الطاقة الخاصة بهم لتوليد الطاقة في الموقع، توفر Bloom Energy (BE ) بديلاً أنظف لتوليد الطاقة التقليدي وتقلل الاعتماد على الشبكة.

في وقت كتابة هذا المقال، يتم تداول أسهم BE عند 10.80 دولار، بانخفاض 26.82٪ منذ بداية العام، برأس مال سوقي يبلغ 2.465 مليار دولار. تمتلك Bloom Energy ربحية السهم (EPS) (TTM) بقيمة -1.30 ومضاعف السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) بقيمة -8.31. بالنسبة للربع الثاني من عام 2024، أعلنت الشركة عن إيرادات قدرها 335.8 مليون دولار، بزيادة قدرها 11.5٪ مقارنة بالعام السابق. كان هامش الربح الإجمالي للربع 20.4٪، بينما بلغ الخسارة التشغيلية 23.1 مليون دولار. كما أصدرت Bloom Energy سندات خضراء قابلة للتحويل بنسبة 3٪ خلال تلك الفترة لتعزيز ميزانيتها.

بالإضافة إلى ذلك، تعاونت الشركة مع رائد الذكاء الاصطناعي CoreWeave (CRWV ) لتشغيل مركز البيانات عالي الأداء المملوك لـ Chirisa Technology Parks. ستقوم خلايا الوقود من Bloom أيضًا بتزويد مراكز بيانات AWS بقدرة 20 ميجاواط من Silicon Valley Power. وفقًا للرئيس التنفيذي لشركة Bloom KR sridhar:

من الآن فصاعدًا يُفهم على نطاق واسع أن الطلب على الكهرباء من المتوقع أن يتجاوز بكثير الإمداد المتاح عبر الشبكة. وهذا يقدم لشركة Bloom فرصة هائلة. نشهد مستويات عالية من الاهتمام التجاري بمنتجاتنا وحلولنا. نواصل التنفيذ الجيد، وتطوير تقنيتنا، وتوسيع فريقنا للنمو المستقبلي.

#2. NextEra Energy

مع تركيزها على الطاقة الشمسية والرياح وتخزين البطاريات، أصبحت NextEra واحدة من أكبر منتجي الطاقة المتجددة. تتداول أسهم شركة الطاقة والبنية التحتية الكهربائية حاليًا عند 83.85 دولار، بارتفاع 38.05٪ منذ بداية العام، مما يجعل القيمة السوقية لـ NextEra تبلغ 172.27 مليار دولار. ربحية السهم (EPS) (TTM) هي 3.67 ومضاعف السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) هو 22.85.

في الربع الثاني من عام 2024، أعلنت الشركة عن صافي دخل وفقًا لمبادئ المحاسبة المقبولة عمومًا (GAAP) قدره 1.622 مليار دولار مع إضافة أكثر من 3,000 ميجاواط من مشاريع الطاقة المتجددة والتخزين الجديدة إلى قائمة أعمالها المتأخرة. قبل بضعة أشهر، أعلنت شركةها الفرعية NextEra Energy (NEE ) Resources، بالتعاون مع Entergy، عن اتفاقية تطوير مشتركة لتسريع إنشاء ما يصل إلى 4.5 جيجاواط من توليد الطاقة الشمسية الجديدة ومشاريع تخزين الطاقة.

الخلاصة

الشمس هي مصدر لا ينضب للطاقة وعند دمجه مع تقنيات فعّالة ومتقدمة، يقدم إمكانات هائلة لتلبية الطلب العالمي المتزايد بسرعة على الطاقة ومعالجة قضية تغير المناخ.

بصفته القائد الصاعد في التحول العالمي المستمر للطاقة النظيفة، شهدت صناعة الطاقة الشمسية الكثير من الاستثمارات، متفوقة على جميع تقنيات التوليد الأخرى مجتمعةً العام الماضي وتطورها. كل ذلك أدى إلى العديد من الاختراقات في تكنولوجيا الطاقة الشمسية، مثل الخلايا الشمسية المتعقبة للشمس، والخلايا الشمسية القابلة للطباعة، والنوافذ الضوئية، وبالطبع توليد الطاقة الشمسية في الليل، مما يمكن أن يدفع الطاقة الشمسية لتصبح الحل الطاقي طويل الأمد للأجيال القادمة.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل أسهم الطاقة الشمسية للاستثمار فيها.