النباتات هي الألواح الشمسية الأصلية، وهي جيدة جدًا في تحويل الضوء إلى طاقة – الضوء الأحمر والأزرق.
ولكن ماذا لو تمكنت الألواح الشمسية من التعايش مع النباتات، والتقاط الضوء الذي لا تستخدمه مع السماح للأطوال الموجية الحمراء والزرقاء بالمرور؟
هذا ما اختبره فريق بقيادة سيلفيا ما لو من جامعة مالاردالين في السويد في دراسة جديدة، باستخدام ألواح شمسية شبه شفافة وردية اللون تسمح لأطوال موجية محددة من الضوء بالمرور إلى النباتات التي تنمو أدناه، بينما تلتقط الطاقة الشمسية أيضًا لتوليد الكهرباء.
لقد قدموا نموذجهم الأولي في المجلة العلمية تقارير الخلية العلوم الفيزيائية.
“المفهوم الأساسي واضح تمامًا،” ما لو يقول.
“تستخدم الألواح الشمسية جزءًا من ضوء الشمس الوارد لتوليد كهرباء متجددة مع السماح لجزء من الضوء بالمرور إلى المحاصيل التي تنمو تحتها.”
وتقول: ربما يمكننا حصاد ضوء الشمس بكفاءة أكبر من خلال تخصيص أجزاء مختلفة من الطيف الشمسي لنمو المحاصيل وتوليد الكهرباء.
ومع ذلك، فإن الألواح الأرجوانية التي تم اختبارها في هذه الدراسة تشبه النموذج الأولي أكثر من المنتج النهائي. يقوم اللون الأرجواني بتصفية الضوء في الطيف الأخضر، ولكن في الوقت الحاضر، لا يتم التقاط طاقة الضوء الأخضر هذه فعليًا بواسطة الخلايا الشمسية.
لكن التجارب تشير إلى أن هذا قد يكون ممكنا في المستقبل.
اختار ما لو وفريقه البروكلي كمحصولهم المفضل لاختبار خلايا اللون الأرجواني.
البروكلي، وهو أحد أصناف براسيكا أوليراسيا, هو نفس النوع مثل العديد من المحاصيل التجارية الأخرى، بما في ذلك الملفوف، والقرنبيط، واللفت، وكرنب بروكسل، والكرنب. إذا كان بإمكان القرنبيط أن ينمو بشكل جيد في الظل الوردي للخلايا الشمسية، فربما يفعل ذلك أيضًا أنواع أخرى من نوعه.
أنشأ الباحثون ثلاث قطع أرض مختلفة بمساحة 20 مترًا مربعًا لزراعة البروكلي.
في إحدى قطع الأرض، تمت زراعة البروكلي تحت أشعة الشمس الكاملة، لتوفير نقطة مقارنة للنمو “الطبيعي”، بدون الخلايا الشمسية.
وفي قطعتي الأرض الأخريين، تمت تربية نباتات البروكلي تحت خلايا شمسية أرجوانية: في قطعة واحدة، كانت الخلايا تتمتع بشفافية بنسبة 50%، بينما بلغت الشفافية في الأخرى 70%.
“أحد النتائج الأكثر إثارة للاهتمام هو مدى تشابه أداء البروكلي تحت نظامي الألواح الشمسية على الرغم من اختلاف مستويات الشفافية.” يقول يوم الاثنين.
“ومع ذلك، فإن هذه النتائج خاصة بظروفنا التجريبية ويجب التحقق من صحتها عبر مواسم النمو الإضافية وتكوينات النظام.”
كانت جميع نباتات البروكلي متشابهة عندما يحين وقت الحصاد، لكن النباتات المزروعة تحت ألواح اللون الأرجواني استغرقت 25 يومًا أطول للوصول إلى هذه النقطة.
وبالنظر إلى أن هذه النباتات تلقت ضوءًا أقل بكثير من تلك التي نمت تحت أشعة الشمس الكاملة، فهذا يعني في الواقع أنها كانت تستخدم الضوء المتاح بشكل أكثر كفاءة: 4.5 مرة أكبر تحت الألواح الأكثر كثافة والشفافية بنسبة 50%، و2.8 مرة أكبر تحت الألواح الشفافة بنسبة 70%.
ليس اللون الأرجواني فقط هو الذي يغير الضوء الذي يصل إلى تلك النباتات.
يتم تضمين العنصر النشط في هذه الخلايا، وهو تلوريد الكادميوم المعتم (CdTe)، في شرائح عبر اللوحة الزجاجية.
هذا العنصر من التصميم هو الذي يصنع حقًا لوحة شمسية يمكن للضوء المرور من خلالها. إذا كانت الشرائط متباعدة بشكل أكثر كثافة، فيمكن للخلية امتصاص المزيد من ضوء الشمس لإنتاج الكهرباء – ولكن هذا يعني أيضًا وصول قدر أقل من الضوء إلى النباتات الموجودة بالأسفل.
وهذا يثير سؤالًا مثيرًا للاهتمام: لماذا يجب أن تكون الألواح أرجوانية على الإطلاق، إذا كانت شرائح CdTe تسمح بمرور الضوء على أي حال، بغض النظر عن لون الزجاج؟
حسنًا ، إنهم لا يفعلون ذلك حقًا. يمكن أن يكون الزجاج محايدًا أيضًا.
كانت هذه الألواح الأرجوانية في الأصل مخصصة لتصميم المباني، لإضفاء توهج وردي على الجزء الداخلي للمبنى مع التقاط بعض الكهرباء أيضًا. لقد انتهى بهم الأمر في هذه التجربة فقط لأنها كانت متاحة تجاريًا بالفعل، وجاهزة لإعادة الاستخدام.
يسمح مرشح اللون الأرجواني بمرور طيفين ضوئيين مهمين لنمو النبات: الأحمر والأزرق. الضوء الأخضر المتبقي الذي يحجبه الفلتر لا يتم التقاطه بالضرورة بواسطة الخلية الشمسية.
ونتيجة لذلك، ليس من الواضح تمامًا من هذه الدراسة ما إذا كان الفلتر الأرجواني الذي تم ترصيع شرائح CdTe فيه، أو مستويات الضوء الإجمالية، هو الذي أثر على نمو البروكلي. وهناك تأثير الاحتباس الحراري الناتج عن وضع الزجاج فوق الخضروات النامية: وهو أمر لا تأخذه هذه التجربة في الحسبان.
ستكون هناك حاجة لتجارب أكثر تفصيلاً لاستخلاص كل هذه المتغيرات.
ولكن بما أن هذه الألواح الوردية موجودة بالفعل في السوق، يقول ما لو إنها يمكن أن توفر بسهولة للأسر والمجموعات المجتمعية طريقة لتحقيق أقصى استفادة من مساحة صغيرة.
“قد تكون التكوينات المشابهة لنموذجنا الأولي مناسبة حاليًا للتطبيقات على نطاق أصغر، مثل الحدائق المجتمعية، أو للدمج في أسطح الدفيئة بدلاً من النشر الفوري في مناطق زراعية كبيرة”. يقول.
إن فكرة تصفية أطياف مختلفة من الضوء لتخصيص الطاقة لأهداف منفصلة – زراعة النباتات وتوليد الكهرباء – فكرة منطقية من الناحية النظرية. ومع ذلك، يبدو أنه لا يزال هناك طريق يجب قطعه لإنشاء لوحة شمسية تستحق العناء للتطبيقات التجارية الأكبر.
“من وجهة نظر هندسية، يتعلق الأمر بالحصول على أفضل استخدام شامل لضوء الشمس والأرض.” يشرح خبير هندسة أنظمة الطاقة راميش رايودو، الذي لم يشارك في الدراسة.
وفيما يتعلق بالطاقة المحصودة، أنتجت الخلايا الأرجوانية في التجربة حوالي 224.7 ميجاوات في الساعة من الكهرباء لكل هكتار خلال فترة النمو – أي أقل بحوالي 100 ميجاوات في الساعة لكل هكتار من الألواح الشمسية التقليدية ذات الحجم المماثل.
“اعتمادًا على قيمة الكهرباء وسعر البروكلي، قد تتطلب الكهرباء المفقودة ما يقرب من 1.2 إلى 3.2 طن من البروكلي الإضافي لكل هكتار لتعويض قيمتها،” رايودو يقول.
“السؤال الحقيقي هو ما إذا كان التعقيد الإضافي للألواح الشمسية الانتقائية للطول الموجي ينتج قيمة زراعية إضافية كافية للتعويض عن انخفاض توليد الكهرباء. هذه هي المقارنة التي أود رؤيتها بعد ذلك.”
وقد تم نشر البحث في تقارير الخلية العلوم الفيزيائية.
تم التحقق من صحة هذه المقالة بواسطة فيونا ماكدونالد وتم تحريره بواسطة فيونا ماكدونالد. وبينما نفخر بعمليتنا، فإننا بشر فقط. إذا لاحظت خطأً، يرجى اعلامنا.
