علماء أميركيون يختبرون نظاماً شمسياً وبطارية يعملان في أقسى الظروف الحرارية
سولارابيك، الولايات المتحدة الأمريكية- 29 مارس 2025: طوّر فريق بحثي أميركي بقيادة علماء من جامعة بوردو منصة اختبار فريدة قادرة على تقييم أداء أنظمة الطاقة الشمسية المدمجة مع تخزين الطاقة ضمن نطاق حراري غير مسبوق يمتد من -180 درجة مئوية شديدة البرودة وصولاً إلى 300 درجة مئوية. صُمم هذا النظام المتكامل للخلايا الكهروضوئية والبطارية (IntPB) بهدف التغلب على تحديات تشغيل مكونات جمع الطاقة وتخزينها في البيئات ذات درجات الحرارة القاسية، ويتيح اختباراً منفرداً لمصادر توليد الطاقة كالخلايا الكهروضوئية أو البطاريات النووية، وتقنيات التخزين كبطاريات الليثيوم-أيون والمكثفات.
غرفة الاختبار
تتألف غرفة الاختبار المحورية في المنصة من هيكل ألومنيوم صدفي يحتوي على نافذة زجاجية تسمح بتسليط الضوء من مصدر خارجي على العينات المختبرة. وجُهزت الغرفة بنظام دقيق للتحكم بالبيئة الداخلية؛ حيث توجد مجموعتان من منافذ التمرير، إحداهما مخصصة لضخ النيتروجين السائل لتبريد المكونات الداخلية بفعالية، والأخرى لغاز الأرجون للحفاظ على بيئة اختبار خالية تماماً من بخار الماء وبلورات الثلج التي قد تؤثر على النتائج. ويتم تحقيق التسخين عبر ملفات تسخين مدمجة، بينما تتيح ثمانية منافذ كهربائية للمرور جمع البيانات من الأجهزة قيد الاختبار. ويتحكم جهاز تحكم متخصص من نوع “Instec” بدرجة حرارة الغرفة، متصلاً بأنابيب تبريد النيتروجين السائل قبل دخولها، حيث يتدفق النيتروجين عبر قنوات محفورة داخل كتلة من الفولاذ المقاوم للصدأ تستقر عليها الخلية الكهروضوئية والبطارية، مما يضمن تبريداً مباشراً وفعالاً عبر التوصيل الحراري. ويكتمل نظام التحكم الدقيق بوحدة تحكم تناسبي-تكاملي-تفاضلي (PID) تنظم الحرارة بناءً على قراءات التغذية الراجعة من مزدوج حراري يقيس درجة حرارة سطح الكتلة الفولاذية، وذلك عبر تعديل سرعة مضخة تمرير النيتروجين السائل. ويشير الباحثون إلى أن هذه المنصة تتجاوز قدرات غرف الاختبار الحرارية التجارية المتوفرة حالياً، والتي لا يمكنها في العادة الوصول إلى درجات حرارة أقل من -100 درجة مئوية.
اختبار ناجح لبطارية ليثيوم مبتكرة تكسر حاجز البرودة الشديدة
أجرى الفريق أولى تجاربه على المنصة باستخدام نظام يجمع بين خلية كهروضوئية تجارية مصنوعة من السيليكون متعدد البلورات (بجهد 5 فولط وتيار 30 مللي أمبير) وبطارية ليثيوم-أيون مبتكرة على شكل خلية عملة (Coin Cell) بجهد 3 فولط. وتميزت البطارية باستخدامها لكاثود من أكسيد النيوبيوم والتنجستن (NbWO||Li) وكهرليت خاص (1M LiFSI)، وهي تركيبة مصممة للعمل في الظروف القاسية. ويوضح الفريق أن اختيار خلية كهروضوئية بجهد 5 فولط جاء لمراعاة الانخفاض المتوقع في الجهد (حوالي 2 فولط) عبر المكونات الإلكترونية الأخرى كالصمامات الثنائية (الدايودات) والمقاومات في دارة الشحن. ولإجراء الاختبار، استُخدمت مصابيح LED باستطاعة 9 واط و 32 واط لتوجيه الأشعة نحو الخلية الكهروضوئية ومحاكاة ظروف الإضاءة.
كشفت نتائج اختبارات الشحن والتفريغ باستخدام جهاز تدوير البطارية (Battery Cycler) عن أداء متميز للبطارية في نطاق واسع من درجات الحرارة؛ فعند 80 درجة مئوية، بلغت سعة الشحن 195 مللي أمبير ساعةغرام وسعة التفريغ 205 مللي أمبير ساعةغرام. وحافظت البطارية على أداء جيد حتى في درجات الحرارة المنخفضة، مسجلة سعات شحنتفريغ بلغت 56162 عند 50 درجة مئوية، و 7176 عند -60 درجة مئوية، و 5358 عند -80 درجة مئوية، وحتى 3336 مللي أمبير ساعة/جرام عند درجة التجمد البالغة -105 درجة مئوية. وأكد الفريق موثوقية النتائج نظراً لأن الفارق بين سعتي الشحن والتفريغ في كل حالة كان ضمن حدود 5%. والأبرز من ذلك، هو تحقيق عملية شحن وتفريغ وظيفية حتى عند درجة حرارة -120 درجة مئوية بسعة بلغت 6 مللي أمبير ساعةغرام، وهو أداء يتفوق بشكل كبير على بطاريات الليثيوم-أيون التقليدية التي عادة ما تحتفظ بأقل من 20% من سعتها عند درجات حرارة أقل من -60 درجة مئوية. وتخطط الأبحاث المستقبلية لاختبار خلايا الجيب (Pouch Cells) من هذه البطارية المبتكرة في درجات حرارة أشد انخفاضاً (تحت -125 درجة مئوية)، ودمجها مع الجيل الجديد من خلايا البيروفسكايت الشمسية المتقدمة المعروفة بكفاءتها العالية وأدائها المحسن تحت تقلبات الحرارة الشديدة.
تابعونا على لينكيد إن Linked-in لمعرفة كل جديد في مجال الطاقة المتجددة والسيارات الكهربائية…
نتمنى لكم يوماً مشمساً!
المصدر: nature
image source: nature
The post علماء أميركيون يختبرون نظاماً شمسياً وبطارية يعملان في أقسى الظروف الحرارية appeared first on Solarabic سولارابيك. Written by بسمه عبود