تكنولوجيا جديدة تُخفض تكلفة توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية

قضت صناعة الطاقة الشمسية عقوداً في خفض تكلفة توليد الكهرباء مباشرة من الشمس. وحالياً يجري التركيز على جعل الألواح الشمسية أكثر قوة.

مع الوفورات التي وصلت إلى مستوى عالٍ في تصنيع المعدات والضغط في الآونة الأخيرة، بسبب ارتفاع أسعار المواد الخام، يكثِّف المنتجون العمل على التقدّم التكنولوجي – من خلال بناء مكونات أفضل واستخدام تصميمات متطورة بشكل متزايد، لتوليد المزيد من الكهرباء من مزارع الطاقة الشمسية بالحجم نفسه.

قال شياوجينغ سون، رئيس أبحاث الطاقة الشمسية العالمية في "وود ماكينزي": "شهدت السنوات العشرين الأولى من القرن الحادي والعشرين تخفيضات هائلة في أسعار الوحدات، لكن سرعة التخفيض بدأت في الاستقرار بشكل ملحوظ في العامين الماضيين".

وأضاف: "ستؤدي التقنيات الجديدة إلى مزيد من التخفيضات في تكلفة الكهرباء".

الانخفاض أكثر سيكون محفزاً

تؤكد الدفعة نحو معدات شمسية أكثر قوة، على أن المزيد من التخفيض في التكاليف لا يزال ضرورياً لدفع التحول بعيداً عن الوقود الأحفوري.

في حين أن مزارع الطاقة الشمسية المرتبطة بالشبكة الكهربائية هي حالياً أرخص من المحطات الأكثر تقدماً التي تعمل بالفحم أو الغاز، إلا أن توفيراً إضافياً سيكون مطلوباً لجمع مصادر الطاقة النظيفة بتكنولوجيا التخزين باهظة الثمن اللازمة للحصول على طاقة خالية من الكربون على مدار الساعة.

أدت المصانع الكبيرة واستخدام الأتمتة وأساليب الإنتاج الأكثر كفاءة إلى وفورات في الحجم وانخفاض تكاليف العمالة وتقليل النفايات المادية لقطاع الطاقة الشمسية.

وانخفض متوسط تكلفة الألواح الشمسية بنسبة 90% من عام 2010 إلى عام 2020.

يعني تعزيز توليد الطاقة من كل لوح، أن المطورين يمكنهم توليد نفس الكمية من الكهرباء من عملية صغيرة الحجم.

من المحتمل أن يكون هذا أمراً بالغ الأهمية، لأن تكاليف الأرض والبناء والهندسة والمعدات الأخرى، لم تنخفض بنفس الطريقة التي انخفضت بها أسعار الألواح.

تكنولوجية متقدمة

قد يكون من المنطقي دفع علاوة مقابل تكنولوجيا أكثر تقدماً. قالت جيني تشايس، كبيرة الباحثين في مجال الطاقة الشمسية في "بلومبرغ إن إي إف": "نرى أشخاصاً على استعداد لدفع سعر أعلى لوحدة كهربائية أعلى فولطية تسمح لهم بإنتاج المزيد من الطاقة وتحقيق المزيد من الأموال من أراضيهم".

يبدو أن الأنظمة عالية الطاقة قد وصلت بالفعل. خلال معظم مدة العِقد الماضي، أنتجت معظم الألواح الشمسية حوالي 400 واط من الكهرباء كحد أقصى.

في أوائل عام 2020، بدأت الشركات في بيع ألواح بقدرة 500 واط، وفي يونيو، قدمت شركة "ريزن إينيرجي" (Risen Energy) ومقرها الصين نموذجاً بقوة 700 واط.

قال محللو "فيتش سولويشونز" في مذكرة بحثية الشهر الماضي: "ستعمل الوحدات الأكثر قوة والأعلى كفاءة على تقليل التكاليف في جميع مراحل سلسلة قيمة مشروع الطاقة الشمسية، ما يدعم توقعاتنا في تحقيق نمو كبير في القطاع خلال العقد المقبل".

فيما يلي بعض الطرق التي تستخدمها شركات الطاقة الشمسية في الشحن الفائق:

بيروفيسكايت

في حين أن العديد من التطورات الحالية تتضمن تعديلات على التقنيات الموجودة، فإن تقنية البيروفسكايت تَعد باختراقٍ حقيقي.

إنها أرق وأكثر شفافية من مادة البولي سيليكون، وهي المادة المستخدمة بشكل تقليدي. يمكن في النهاية وضع البيروفسكايت في طبقات فوق الألواح الشمسية الحالية لتعزيز الكفاءة، أو دمجها مع الزجاج لصنع نوافذ المباني التي تولد الطاقة أيضاً.

قال كيم دوهيونغ، الباحث الرئيسي في فريق مشروع "بيروفسكايت" في "كوريا إليكتريك باور كورب"، وهي واحدة من عدة شركات تختبر هذه المادة: "سنكون قادرين على نقل الطاقة الشمسية إلى المستوى التالي. في النهاية، ستمكننا هذه التكنولوجيا الجديدة من تقديم مساهمة كبيرة في خفض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري".

سبق أن واجه اعتماد البيروفسكايت تحديات بسبب التكاليف والمسائل الفنية التي حالت دون الإنتاج على نطاق تجاري.

هناك حالياً دلائل على أن هذا يتغير: أعلنت شركة "ووكسي أوتمولايت تكنولوجي" في مايو عن خطط لبدء خط تجريبي بحلول أكتوبر مع بدء الإنتاج الضخم في عام 2023.

وقالت شركة "1366 تكنولوجيز" ومقرها ماساتشوستس، والتي تصنع رقائق للخلايا الشمسية، الشهر الماضي، إنها ستندمج مع شركة "هانت بيروفسكايت تكنولوجيز".

تجمع الشركة الجديدة، المسماة "كيوبيك بي في"، بين تقنيتين تكميليتين توفران إمكانية إنشاء ألواح أكثر كفاءة. وهي تخطط لإنتاج منتجات كهروضوئية تستخدم تقنية "هانت" للبيروفسكايت، والتي توضع فوق رقاقة سيليكون طورتها شركة "1366".

الألواح ثنائية الوجه

عادةً ما تحصل الألواح الشمسية على قوتها من الجانب المواجه للشمس، ولكن يمكنها أيضاً الاستفادة من كمية الضوء الصغيرة التي تنعكس مرة أخرى عن الأرض.

بدأت الألواح ثنائية الوجه في اكتساب شعبية في عام 2019، حيث يسعى المنتجون إلى الحصول على الزيادات الإضافية في الكهرباء عن طريق استبدال مواد الدعم غير الشفافة بزجاج مخصص.

كما جرى تعزيزها مؤقتاً من خلال ثغرة أُغلقت منذ ذلك الحين في الولايات المتحدة من حيث إعفائها من الرسوم الجمركية.

جذب هذا الاتجاه موردي الزجاج الشمسي على حين غرة، وتسبب لفترة وجيزة في ارتفاع أسعار المواد. في أواخر العام الماضي، خففت الصين اللوائح المتعلقة بقدرة تصنيع الزجاج، ما من شأنه أن يمهد الطريق لاعتماد تكنولوجيا ألواح الطاقة الشمسية ثنائية الوجه على نطاق أوسع.

البولي سيليكون الخامل

هناك تغيير آخر يمكن أن يؤدي إلى زيادة الطاقة، وهو التحوّل من مادة السيليكون موجبة الشحنة للألواح الشمسية، إلى منتجات سالبة الشحنة أو من النوع (n).

يتم تصنيع المادة من النوع (N) عن طريق تخميد البولي سيليكون بكمية صغيرة من عنصر له إلكترون إضافي مثل الفوسفور.

إنها أغلى ثمناً، ولكن يمكن أن تكون أقوى بنسبة 3.5% من المادة السائدة حالياً.

من المتوقع أن تبدأ المنتجات في الحصول على حصة في السوق في عام 2024، وأن تكون المادة المهيمنة بحلول عام 2028، وفقاً لـ"بي في – تيك" (PV-Tech).

في سلسلة التوريد بالطاقة الشمسية، يتم تشكيل البولي سيليكون فائق الدقة إلى سبائك مستطيلة، والتي بدورها يتم تقطيعها إلى مربعات رفيعة للغاية تُعرف باسم الرقائق. يتم توصيل هذه الرقائق في خلايا ويتم تجميعها معاً لتشكيل الألواح الشمسية.

رقائق أكبر، خلايا أفضل

طوال العِقد الأول من القرن الحادي والعشرين، كان قياس الرقاقة الشمسية القياسية عبارة عن 156 مم (6.14 بوصة) مربعة من البولي سيليكون، أي حجم الجزء الأمامي من علبة القرص المضغوط.

حالياً، تعمل الشركات على جعل الألواح المربعة أكبر لتعزيز الكفاءة وتقليل تكاليف التصنيع.

يدفع المنتجون برقائق بقياس 182 و 210 مم، وستكبر حصة الأحجام الأكبر من حوالي 19% من حصة السوق هذا العام إلى أكثر من النصف بحلول عام 2023، وفقاً لشركة "وود ماكينزي صن".

تضيف المصانع التي تربط الرقاقات بالخلايا - والتي تحول الإلكترونات التي تثيرها فوتونات الضوء إلى كهرباء - سعة جديدة لتصميمات مثل خلايا الاتصال غير المتجانسة أو خلايا الالتقاط ذات الأكسيد الخامد النفقي.

ورغم أن صنع هذه الهياكل أعلى تكلفة، إلا أنها تسمح للإلكترونات بالاستمرار في الارتداد لفترة أطول، ما يزيد من كمية الطاقة التي تولدها.