جامعة سعودية تبتكر تقنية تجمع بين إنتاج الكهرباء والمياه العذبة بالطاقة الشمسية

يُعد توفر المياه الصالحة للشرب، كما هو الحال بشكل أقل منه بالنسبة إلى الكهرباء، أولويةً حيوية بالنسبة إلى عددٍ من مناطق العالم. ظهرت تقنية ثورية جديدة تستخدم خلية شمسية متعددة الطبقات وتُمكن من إنتاج الكهرباء وتحلية مياه البحار في الوقت ذاته.

وفي هذا السياق قام مجموعة من الباحثين في جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية في ثول، بتطوير خلية شمسية متعددة الطبقات قادرة على إنتاج الكهرباء، بالإضافة إلى تحلية مياه البحر.

هذه التقنية الثورية قد يكون من شأنها حل المشاكل المرتبطة بعملية تحلية مياه البحر، ولو بشكل جزئي، فبالرغم من أن تحلية المياه معروفة منذ فترة طويلة، إلا أن استهلاكها للطاقة مرتفع للغاية، بل إنه أعلى من اللازم، ولا تزال تحلية المياه عملية حيوية للعديد من دول الشرق الأدنى والأوسط على وجه الخصوص، حيث إن احتياطاتهم من المياه الجوفية العذبة محدودة للغاية، ولا تكفي لتوفير المياه.

ولذا، فتلجأ تلك الدول بشكل كبير إلى ضخ ومعالجة مياه البحار، كما تُنتج دولٌ مثل المملكة والكويت، والأردن، وتونس، ومالطا، وإسبانيا، وتشيلي، وأستراليا، مجتمعةً أكثر من 95 مليون متر مكعب من المياه العذبة يوميًا، ولكن مع ظهور تقنية جديدة تستخدم الطاقة الشمسية، بات من الممكن تفادي استهلاك الطاقة المفرط لتحلية المياه.

ويُذكر أن هذه المناطق المعنية تتمتع بطاقة شمسية تملك ما يكفي منها لتوريده وإن اعتزمت هذه المناطق بالفعل إدخال الطاقة الشمسية بشكل أكبر في مزيج الطاقة الخاص بها، فإن هذه التقنية الشمسية الجديدة ستؤكد على إمكانات القطاع.

وفي مقال نُشر في يوليو لدى موقع الصحيفة العلمية المرموقة (Nature)، يقدم باحثو جامعة الملك عبدالله تقنيتهم التي تهدف على وجه التحديد إلى تطوير الخسائر الحرارية لخلايا السيليكون الشمسية، واستخدامها لتقطير مياه البحر، وبالتالي تتم تحليتها.

وقال فريق البحث: في هذا العمل، طرحنا استراتيجية للإنتاج المتزامن للمياه العذبة والكهرباء عبر جهاز التقطير الغشائي الكهروضوئي، الذي يستخدم فيه اللوح الضوئي كمكوِن لتوليد الكهرباء، وكذلك يستخدم كمكوٍن حراري ضوئي لإنتاج المياه النظيفة.  وفي خلية طاقة شمسية نموذجية، يتم تحويل 80-90% من الطاقة الشمسية الممتصة، بطريقة غير مرغوب فيها، إلى حرارة، ومن ثم يتم إلقاؤها بشكل سلبي ومهدر في الهواء المحيط.

وتابع الفريق: في هذا العملية، يتم دمج جهاز تقطير غشائي متعدد المراحل عبر الطاقة الشمسية على الجانب الخلفي لخلية شمسية تجارية للاستفادة المباشرة من الحرارة المهدرة لتصبح مصدرًا للحرارة لعملية تقطير المياه. وتحت إضاءة الشمس الواحدة، يبلغ معدل إنتاج المياه لجهاز التقطير الغشائي الكهروضوئي (1.79 kg m−2 h−1 ) لجهاز مكون من 3 مراحل، وهو أعلى بثلاثة أضعاف من أجهزة الطاقة الشمسية (solar stills) الاعتيادية.

وفي نفس الوقت، يولد اللوح الضوئي طاقة كهربائية بكفاءة وأعلى بنسبة 11% مما تم تسجيله على نفس اللوح الضوئي دون وجود الخلية الشمسية الداعمة بالخلف، وهذا الرقم أعلى بتسعة مرات على الأقل من الأرقام المحققة في الأعمال المنشورة سابقًا.

وأوضح الباحثون أن الفائدة المؤكدة من دمج اللوح الضوئي وتقطير المياه هي التوليد المشترك الفعال للغاية للمياه النظيفة والكهرباء في جهاز واحد في نفس الوقت وعلى نفس الأرض، مما يقلل بشكل مباشر من متطلب مساحة الأرض وتكلفة نظام التثبيت بالمقارنة مع نظامين منفصلين تمامًا (اللوح الضوئي وتقطير المياه)، وعلاوة على ذلك، فإن العمل مباشرة مع الخلايا الشمسية التجارية يجعل جهاز اللوح الضوئي وتقطير المياه قريبًا من التطبيقات العملية. وتوفر هذه الاستراتيجية إمكانية محتملة لتحويل محطة توليد الكهرباء من مستهلك للمياه إلى منتج للمياه العذبة.