ما هي أحدث التطورات في خلايا الطاقة الشمسية منخفضة الإضاءة للإضاءة الحدائق على شكل رأس نبات القراص؟

لماذا تعد الخلايا الشمسية منخفضة الإضاءة ضرورية لأضواء الحديقة على شكل قثاء؟

يجب أن تتعامل أضواء الحدائق الخاصة بالقرنفل مع بعض الظروف البيئية القاسية التي تتطلب حلولًا تقنية خاصة تعمل بالطاقة الشمسية. فمعظم هذه الأضواء يتم تركيبها في أماكن لا تحصل على الكثير من أشعة الشمس أصلاً، مثل المناطق تحت الأشجار أو الزوايا المظللة في الحدائق، خصوصًا في المناطق الشمالية حيث يكون ضوء النهار شحيحًا. ولا تعمل الخلايا الشمسية السيليكونية التقليدية بشكل جيد في هذه الظروف. فعندما تظهر الغيوم أو عندما لا يكون الضوء مباشرًا، تنخفض كفاءة الألواح الشمسية القياسية إلى نحو النصف، وأحيانًا أكثر من ذلك. وعندما لا تتمكن هذه الألواح من شحن البطاريات بالكامل، ينتهي الأمر بمستخدميها إلى أضواء تتلألأ ثم تنطفئ مبكرًا جدًا خلال الليالي الشتوية الطويلة أو أثناء الطقس الكئيب في فصل الربيع.

الأضواء على شكل قناديل الهالوسة ذات الأشكال الدائرية تجعل في الواقع جمع الطاقة أمرًا صعبًا نسبيًا. فالتقوسات تميل إلى إلقاء ظلال على نفسها، وبالتالي تحصل على نحو 30٪ أقل من الضوء مقارنة بالألواح المسطحة العادية. وعندما لا تُصنع خلايا شمسية خاصة للضوء الخافت، فإن هذه المنحنيات الجذابة تصبح مشكلة بدل أن تكون ميزة. بالنسبة للجيل القادم من هذه الأضواء الحدائقية، يجب على المصنّعين التركيز على مدى كفاءة أدائها مع الضوء الخفيف تحت مستويات 100 لومن، وهي الحالة التي تحدث عندما تحجب الأشجار معظم ضوء النهار أو خلال الساعات المسائية. يمكن لبعض الخلايا الشمسية الأحدث أن تحافظ على كفاءة تتراوح بين 12 و15٪ حتى في هذه الظروف الخافتة، في حين تكاد الخلايا السيليكونية العادية تتوقف عن العمل عند 5 إلى 7٪. وهذا يعني أن الأضواء تبقى مشتعلة طوال الليل بشكل موثوق، مما يحوّلها من مجرد زينة جميلة للربيع إلى شيء يمكن الاعتماد عليه طوال العام في مختلف أجزاء الفناء.

ابتكارات البيروفسكايت والنقاط الكمية تدفع بفعالية العمل في ظروف الإضاءة الخافتة

بيروفسكايت مُعدَّل الفجوة النطاقية لأداء مثالي في ظروف الإضاءة المنتشرة وأقل من 100 لوكس

السبب وراء أداء خلايا البيروفسكايت الشمسية بشكل جيد في ظروف الإضاءة الخافتة يعود إلى الطريقة التي نُعدِّل بها خصائص فجوة النطاق الخاصة بها. عندما يُغيّر المصنعون التركيب الكيميائي لهذه المواد، تصبح أكثر كفاءة في إنتاج الشحنات الكهربائية حتى في حالات تشتت ضوء الشمس بدلاً من سقوطه مباشرة، كما يحدث في الصباح الباكر أو في أواخر فترة ما بعد الظهر أو في الأيام الغائمة. تُظهر الاختبارات أن مواد البيروفسكايت يمكنها امتصاص حوالي 35-40٪ أكثر من جسيمات الضوء مقارنة بالألواح السيليكونية التقليدية عندما تكون شدة الإضاءة أقل من 100 لوكس، مما يجعلها مناسبة جداً لأضواء الحدائق التي يجب أن تعمل بكفاءة حتى في حالة التظليل الجزئي أو خلال أشهر الشتاء. ما يميز هذه الخلايا عن تقنيات الطاقة الشمسية التقليدية هو قدرتها على الاستمرار في إنتاج الطاقة بشكل ثابت حتى مع التغيرات السريعة في مستويات الإضاءة، وهي ظاهرة تحدث باستمرار في الحدائق حيث تلقي الأشجار بظلال متحركة، وتتوالى السحب طوال اليوم.

نقاط كمومية تستجيب للأشعة تحت الحمراء القريبة وتوسع امتصاص الطيف في البيئات المظللة والمصفاة من خلال الأوراق

تفتح تقنية النقاط الكمومية إمكانيات جديدة لجمع الضوء لأنها قادرة على التقاط أطوال الموجات تحت الحمراء القريبة التي تمر فعليًا عبر الأوراق وتبقى وافرة حتى في الظروف المظللة. وعند دمج هذه النقاط الكمومية الخاصة في ألواح الإضاءة على شكل زهرة الهندباء، فإنها تحول إشعاع الحرارة المتبقي إلى طاقة فعلية، ما يعني أن الإضاءة يمكن أن تستمر لمدة أطول بنحو ساعتين و18 دقيقة وفقًا لاختبارات حديثة أجريت ميدانيًا. وهذا يُحدث فرقًا كبيرًا في تشغيل أضواء الحدائق الموضوعة تحت الأشجار الكبيرة أو pergolas حيث تتوقف الألواح الشمسية العادية عن العمل بعد نحو أربع ساعات من غروب الشمس. يحدث السحر الحقيقي عندما تستفيد هذه الجسيمات الصغيرة من الضوء الذي لا نستطيع رؤيته، مما يحافظ على الشحن المستقر حتى في وجود الظلال في كل مكان.

الأداء في العالم الواقعي: مكاسب زمن التشغيل والتحقق الميداني

تجارب النرويج والمنطقة الشمالية الغربية للهادئ: إضاءة ليلية أطول بنسبة 42٪ مقارنةً بالأضواء المعتمدة على السيليكون

أظهرت أبحاث أُجريت عبر الدول النوردية وأجزاء من الشريط الشمالي الغربي للمحيط الهادئ، حيث لا تتجاوز ساعات ضوء الشمس الذروة حوالي 3.5 ساعة يوميًا في العادة، كيف تعمل خلايا الطاقة الشمسية الجديدة المحسّنة للعمل في ظروف الإضاءة المنخفضة فعليًا خارج بيئة المختبر. وعند اختبارها على مدار اثني عشر شهرًا متواصلة، استمرت أضواء الحوذان الصغيرة المزودة بألواح مصنوعة من مواد البيروفسكايت بالإضافة إلى النقاط الكمية (كوانتوم دوت) لمدة تزيد بنحو النصف مقارنة بالإصدارات العادية التي تستخدم الألواح السيليكونية التقليدية. وهذا يعني أنها قادرة على الاستمرار في الإضاءة طوال الليل خلال أيام الشتاء المظلمة تلك، حينما يكاد الضوء الطبيعي لا يصل إلى 100 لومن خلال معظم اليوم. لماذا يحدث هذا؟ حسنًا، هذه الألواح المحسّنة تمتص جزءًا أكبر من الطيف الضوئي المتاح، وبالتالي تعمل بشكل أفضل تحت السماء الغائمة، بل وتلتقط أيضًا الانعكاسات عن الأسطح. كما قمنا باختبار أدائها على طول ساحل أوريغون، وبعد قضاء عام كامل في مواجهة هواء مالح وأحوال جوية رطبة، ما زالت الألواح تُنتج نفس كمية الطاقة تمامًا كما فعلت عند تركيبها لأول مرة.

من كفاءة المعمل (23.7٪) إلى العائد في الحديقة: كيف تُرجم الأداء المستقر في ظروف الإضاءة المنخفضة إلى موثوقية عالية في ضوء الشعيرات

أظهرت نتائج المختبر أن خلايا البيروفسكايت تحقق كفاءة تحويل طاقة تبلغ حوالي 23.7٪ عند اختبارها في ظل ظروف إضاءة منخفضة ومستقرة. ولكن ما يهم فعلاً للاستخدام اليومي هو مدى قدرتها على الحفاظ على جهد كهربائي مستقر عندما تتغير أشعة الشمس خلال اليوم. تتعامل أضواء Dandelion مع هذه المشكلة من خلال نظامها الذكي لإدارة الطاقة، الذي يمنع الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) من الاهتزاز عندما تعبر السحب، وهي مشكلة لا تستطيع معظم الأضواء الشمسية الرخيصة التعامل معها. كما جمعنا بيانات ميدانية تُظهر نتائج ممتازة أيضًا، حيث بلغت درجة الاتساق في السطوع حوالي 94٪ على مدار الفصول المختلفة. ولا يتجاوز الفرق بين الصيف والشتاء سوى 5٪ في الأداء، وهو أمر لا بأس به بالنظر إلى التغيرات الجوية. عمليًا، يعني هذا أن المستخدمين يحصلون على إضاءة موثوقة حتى أثناء المشي تحت الأشجار أو في ظل الضباب الصباحي، دون الحاجة إلى التعديل المستمر. إن القدرة على تحويل هذه النتائج الممتازة من المختبر إلى أداء فعّال ليلاً بعد ليلة يجعل هذه الأضواء مثالية للحدائق والممرات، حيث يرغب الناس برؤية جيدة دون القلق بشأن الصيانة.

تناغم التصميم: كيف يعزز هيكل الهندباء الجذرية جمع الطاقة في ظروف الإضاءة المنخفضة

زاوية جمع الضوء 360° وهيكل سطحي ذاتي التنظيف يعززان من التقاط الإشعاع الفعّال

تُدمج أضواء الطاقة الشمسية التي تم تصميمها على شكل حشائش الهندباء بين حكمة الطبيعة والتكنولوجيا الشمسية المتطورة لالتقاط كل قدر ممكن من الطاقة المتاحة، حتى في الظروف غير المثالية. فشكلها المستدير يسمح لها باستقبال ضوء الشمس من أي اتجاه حولها، وهو ما يُعد أمراً بالغ الأهمية في الحدائق التي تحجب الأشجار فيها أشعة الشمس المباشرة معظم ساعات النهار. وتشير بعض الأبحاث الحديثة إلى أن هذه التصاميم الدائرية تمتص نحو 37٪ أكثر من الضوء المنتشر مقارنةً بالألواح المسطحة التقليدية، مما يجعلها أكثر كفاءة في العمل ليلاً أيضاً. وتحتوي هذه الأضواء على حيلة ذكية أخرى، وهي طبقة الطلاء الخاصة التي تمنع تراكم الأوساخ والمياه على السطح. إذ إن غياب هذه الحماية يؤدي عادةً إلى فقدان التركيبات الحدائقية ما بين 12 إلى 18٪ من كفاءتها شهرياً فقط بسبب التراكمات. ويظل النظام بأكمله نظيفاً دون الحاجة إلى أي تنظيف يدوي، كما أن الشكل المنحني يقلل من الانعكاسات المهدرة ويوَّجه الضوء العابر مباشرةً إلى الخلايا الشمسية الموجودة في الأسفل. وكل هذه الميزات تعني أن هذه الأضواء تحقق أداءً جيداً بشكل مدهش حتى في الظروف الظليلة أو الرطبة أو الملوثة. وهذا يدل على أن الجمال البصري لا يجب أن يأتي على حساب الكفاءة الفعلية، وهو ما ينطبق بوضوح على حلول الطاقة الشمسية المستقبلية.

الأسئلة الشائعة

ما هي خلايا الطاقة الشمسية في ظروف الإضاءة المنخفضة؟

تم تصميم خلايا الطاقة الشمسية في ظروف الإضاءة المنخفضة لتعمل بكفاءة في الظروف التي يكون فيها ضوء الشمس ضعيفًا أو غير مباشر، مثل تحت الأشجار أو أثناء الطقس الغائم أو في المناطق المظللة.

لماذا تعتبر خلايا البيروفسكايت أفضل للظروف ذات الإضاءة المنخفضة؟

تتميز خلايا البيروفسكايت بخصائص فجوة النطاق القابلة للتعديل، مما يمكنها من توليد شحنات كهربائية بكفاءة حتى في ضوء الشمس المنتشر أو غير المباشر، وهو ما يناسب الظروف ذات الإضاءة المنخفضة.

كيف تساعد النقاط الكمية في جمع الضوء الشمسي؟

يمكن للنقاط الكمية امتصاص أطوال موجية الأشعة تحت الحمراء القريبة التي تخترق الأوراق، مما يمكنها من التقاط الضوء حتى في الظل وتحويله إلى طاقة قابلة للاستخدام.

ما الذي يجعل أضواء الحدائق على شكل زهرة الهندباء فعّالة؟

يتيح الشكل المستدير لأضواء زهرة الهندباء زاوية التقاط ضوء تبلغ 360° ويقلل من التظليل، مما يعزز قدرتها على جمع الضوء المنتشر بشكل فعال.

كيف تعمل هذه الخلايا الشمسية في البيئات الواقعية؟

تُظهر الدراسات أن الخلايا الشمسية منخفضة الإضاءة المثبتة في مصابيح الهندباء تحقق إضاءة ليلية أطول بنسبة 42٪ مقارنة بالمصابيح التقليدية القائمة على السيليكون، حتى في البيئات الصعبة مثل الدول النوردية وشمال غرب المحيط الهادئ.

ما المقصود بـ PCE، وما أهميته؟

PCE تعني كفاءة تحويل الطاقة، وهي مقياس حيوي لمدى فعالية الخلية الشمسية في تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية، خاصةً في ظروف الإضاءة المتغيرة.