طوّر فريق بحثي في جامعة مدينة هونغ كونغ طريقةً لتنظيف الألواح الشمسية تُقلّل استهلاك المياه بأكثر من 80%. وتحقق هذه التقنية، المنشورة في مجلة "نيتشر سستينابيليتي"، معدلات إزالة للملوثات تصل إلى 99.9%. وتستند هذه التقنية إلى مبادئ مُلاحظة في أجنحة الفراشات وأوراق النباتات.
مشكلة متفاقمة لمشغلي الطاقة الشمسية
تواجه منشآت الطاقة الشمسية حول العالم تحديًا مستمرًا في الصيانة. يتراكم الغبار والرمل والملوثات على أسطح الألواح، مما يقلل من إنتاج الطاقة. ويستهلك قطاع الطاقة الشمسية العالمي حاليًا أكثر من 12 مليار جالون من الماء سنويًا للتنظيف، ومن المتوقع أن يرتفع هذا الرقم مع توسع المنشآت. وفي المناطق القاحلة، حيث يكون استغلال الطاقة الشمسية في أعلى مستوياته، يُصبح استخدام الغسيل التقليدي عالي الضغط أكثر صعوبةً نظرًا لندرة المياه.
يمكن أن يؤدي تراكم الأوساخ على الألواح الشمسية إلى انخفاض كبير في إنتاج الطاقة. وبالنسبة لمحطات الطاقة الشمسية الكبيرة التي تعمل بهوامش ربح ضئيلة، فإن العواقب المالية وخيمة. لذا، فإن أنظمة التنظيف التي تحافظ على الإنتاج مع تقليل استهلاك المياه لها أهمية بيئية وتجارية على حد سواء.
كيف يعمل نظام ممسحة القطرات
عمل فريق جامعة مدينة هونغ كونغ، بقيادة البروفيسور ستيفن وانغ، بالتعاون مع باحثين من إمبريال كوليدج لندن ومعهد هندسة العمليات في بكين. يستغل نظامهم السلوك الفيزيائي لقطرات الماء عند الاصطدام. فعندما تصطدم قطرة بسطح لوحة، تنتشر للخارج ثم ترتد. ويولد هذا الانتشار والارتداد قوى ديناميكية مائية، تعمل بدورها على رفع الجزيئات وإزاحتها من السطح.
يُطلق الفريق على هذه التقنية اسم "مماسح القطرات السائلة". وهي تستخدم عُشر كمية الماء التي تتطلبها عمليات التنظيف التقليدية باستخدام نفاثات السوائل. وقد وجد الباحثون أن كفاءة التنظيف تتبع نمطًا غير خطي، حيث حققت طاقة التأثير المتوسطة نتائج أفضل من القوة القصوى. وفي اختبارات أُجريت باستخدام جزيئات الرمل لمحاكاة ظروف الصحراء، أزالت القطرات المُحسّنة الملوثات بكفاءة أعلى من الطرق التي تستخدم طاقة أكبر.
قال البروفيسور وانغ إن الفريق صمم هذه الطريقة للحفاظ على موارد المياه مع تحسين نشر الطاقة المتجددة. كما يمكن للنظام التعامل مع الجسيمات الأثقل، بما في ذلك تلك التي تزيد كثافتها عن كثافة الماء بعدة مرات. وهذا يوسع نطاق استخداماته المحتملة ليشمل ما هو أبعد من الغبار السطحي الخفيف.
ما وجده البحث
أفادت ورقة بحثية نُشرت في مجلة "نيتشر سستينابيليتي" بإزالة الملوثات بنسبة تصل إلى 99.9% باستخدام ألواح شمسية مطلية بطبقة فائقة الكراهية للماء. وانخفض استهلاك المياه بأكثر من 80% مقارنةً بالطرق التقليدية. هذه الأرقام مستقاة من تجارب مخبرية، ولم تُنشر بعد دراسات ميدانية مستقلة للتحقق من صحة النتائج على نطاق واسع، وقد يختلف الأداء الفعلي تبعًا لنوع طلاء الألواح، ونوع الجسيمات، والظروف المناخية المحلية.
تستند الدراسة إلى المحاكاة الحيوية. فأجنحة الفراشات وبعض أوراق النباتات تُطلق الماء والحطام عبر بنى مجهرية سطحية. وقد طبّق الباحثون هذا المنطق الفيزيائي على تنظيف الألواح. يُحاكي نظام القطرات بعض هذه الخصائص دون الحاجة إلى مكونات ميكانيكية معقدة.
التأثيرات على صناعة الطاقة الشمسية
يواجه قطاع الطاقة الشمسية ضغوطًا متزايدة لتقليص بصمته التشغيلية. ويُعدّ استخدام المياه في صيانة الألواح أحد المجالات التي تتجلى فيها هذه الضغوط. وقد توقعت وكالة الطاقة الدولية نموًا سريعًا في قدرة الطاقة الشمسية حتى ثلاثينيات القرن الحالي، لا سيما في المناطق الغنية بالشمس والتي تعاني من شحّ المياه في الشرق الأوسط وشمال إفريقيا وأجزاء من جنوب آسيا. وتُعدّ حلول التنظيف التي تتطلب كميات أقل من المياه ذات صلة مباشرة بهذه البيئات.
يقول فريق جامعة المدينة إن النظام واعدٌ بشكل خاص لمحطات الطاقة الشمسية الكبيرة في المناطق القاحلة. إذ ترتفع مستويات الغبار في هذه البيئات، ويقلّ فيها الوصول إلى المياه. لذا، فإنّ طريقة التنظيف التي تعالج كلا الشرطين في آنٍ واحد لها قيمة عملية واضحة.
لم يتضمن البحث حتى الآن جدولًا زمنيًا للتطبيق التجاري. وقد أثبت الفريق فعالية هذه الطريقة على نطاق المختبر. ويبقى السؤال مطروحًا حول إمكانية تصنيع هذه الطريقة ونشرها بكفاءة من حيث التكلفة في المنشآت واسعة النطاق. وسيرغب المستثمرون والمطورون الذين يفكرون في هذه التقنية في الاطلاع على التجارب الميدانية وتقييمات التكلفة قبل التوصل إلى استنتاجات نهائية.
لقد توصل البروفيسور وانغ وزملاؤه إلى نتيجة ذات مصداقية تقنية. فمزيج معدلات الإزالة العالية مع انخفاض استهلاك المياه يعالج مشكلة تشغيلية حقيقية. ولا يزال الطريق طويلاً من الاكتشافات المختبرية إلى التطبيق الواسع النطاق، إلا أن قاعدة الأدلة، في هذه المرحلة، واعدة.
