معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية

📅 آخر تحديث: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (ISE) هو أحد معاهد جمعية فراونهوفر . يقع المعهد في فرايبورغ، ألمانيا ، ويُجري أبحاثًا علمية وهندسية تطبيقية وتطويرًا في جميع مجالات الطاقة الشمسية . ولدى فراونهوفر ثلاثة فروع خارجية في ألمانيا تُعنى بتطوير الخلايا الشمسية ومواد أشباه الموصلات: مركز المختبرات والخدمات (LSC) في غيلسنكيرشن ، ومركز تكنولوجيا مواد أشباه الموصلات (THM) في فرايبورغ، ومركز فراونهوفر للخلايا الكهروضوئية السيليكونية (CSP) في هاله . [ 1 ] شغل إيكه ويبر منصب مدير فراونهوفر ISE من عام 2006 إلى عام 2016. ويُعد فراونهوفر ISE، الذي يضم أكثر من 1100 موظف، أكبر معهد لأبحاث الطاقة الشمسية التطبيقية في أوروبا. وبلغت ميزانيته التشغيلية لعام 2012، بما في ذلك الاستثمارات، 74.3 مليون يورو. [ 2 ]

تاريخ

واجهة معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (ISE)

تأسس معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (ISE) عام 1981 على يد أدولف غوتزبيرغر في فرايبورغ، ألمانيا. وكان أول مؤسسة غير جامعية في أوروبا تُعنى بأبحاث الطاقة الشمسية التطبيقية. ركز المعهد في بداياته على جامع الفلورسنت FLUKO، والعزل الشفاف، والخطوات الأولية نحو خلايا شمسية عالية الكفاءة من السيليكون وخلايا شمسية من النوع III-V، وخلايا شمسية رقيقة من السيليكون، وأبحاث المواد. [ 3 ]

في عام 1983، طُوِّر أول عاكس إلكتروني بالكامل يُعرف باسم "عاكس ISE" لاستخدامه في أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المستقلة. وفي عام 1986، أُنتِج أول منتج تسلسلي يستخدم مُجمِّعات فلورية كمصدر للطاقة. وضمن برنامج الأجهزة الكهروضوئية الصغيرة، طُوِّرت العديد من المنتجات الناجحة الأخرى. وعندما بدأ تشغيل الغرفة النظيفة في عام 1989، بدأ إنتاج الخلايا الشمسية عالية الكفاءة. وفي عام 1998، دخلت طبقات امتصاص الطاقة الشمسية الانتقائية، التي طُوِّرت في معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (ISE) لمُجمِّعات الطاقة الشمسية الحرارية، حيز الإنتاج الصناعي.

في عام 2011، احتفل معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية بالذكرى الثلاثين لتأسيسه. ومنذ ذلك الحين، حصل العلماء على العديد من الجوائز والتكريمات المرموقة لنتائج أبحاثهم في هذا المجال.

البحث والتطوير

تُرسّخ أبحاث الطاقة الشمسية في معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية المتطلبات التقنية اللازمة لتوفير إمدادات طاقة فعّالة وصديقة للبيئة للدول الصناعية والنامية على حد سواء. ويلتزم المعهد بالابتعاد عن الوقود الأحفوري والطاقة النووية، والتحول نحو الاعتماد الكامل على مصادر الطاقة المتجددة، بهدف توفير حلول ميسورة التكلفة لتحول الطاقة .

ولتحقيق هذا الهدف، يقوم المعهد بتطوير المواد والمكونات والأنظمة والعمليات لأغراض البحث الأساسي وما بعده. وتشمل مجالات الخبرة تطوير تقنيات الإنتاج والنماذج الأولية، وإنشاء أنظمة تجريبية ومراقبتها، وتشغيل مراكز الاختبار والمعايرة الداخلية والخارجية. [ 2 ]

تُصنف مجالات البحث المختلفة في معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (ISE) ضمن مجالات الأعمال التالية:

مبانٍ موفرة للطاقة

في معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية، تُعدّ المباني الموفرة للطاقة أحد المجالات البحثية الرئيسية. وبالتعاون مع المهندسين المعماريين والمخططين الخبراء والقطاع الصناعي، يعمل باحثو المعهد على تحسين أداء المباني القائمة وتطوير مباني المستقبل مع مراعاة الجوانب الاقتصادية وكفاءة الطاقة وراحة المستخدم. ومن خلال مشاركته في وكالة الطاقة الدولية ، يُسهم المعهد في وضع المعايير الدولية اللازمة لتطبيق هذه المفاهيم. وفي هذا المجال، تتكامل العديد من التخصصات: بدءًا من أبحاث المواد وتطوير الطلاءات، مرورًا بتطوير المكونات والأنظمة، وصولًا إلى الاختبارات المطلوبة. [ 2 ]

البصريات التطبيقية والأسطح الوظيفية

تحوّل أنظمة الطاقة الشمسية الإشعاع الشمسي الساقط على الأرض إلى طاقة حرارية أو كهربائية أو كيميائية. ولتحسين نقل الإشعاع الوارد وعكسه وامتصاصه وترشيحه وإعادة توجيهه وتركيزه، يطوّر معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (ISE) مكونات وأنظمة بصرية. ويُعدّ هذا المجال متعدد التخصصات، ويخدم العديد من مجالات تكنولوجيا الطاقة الشمسية، مثل: النوافذ والواجهات، ومجمعات الطاقة الشمسية الحرارية، وأنظمة تركيز الطاقة الكهروضوئية ومحطات الطاقة الشمسية، بالإضافة إلى تكنولوجيا الوحدات الكهروضوئية. [ 2 ]

تخزين الطاقة الكهربائية

لا يمكن ضمان نجاح التحول في قطاعي الطاقة والتنقل إلا من خلال تخزين الطاقة في الشبكة . لذا، تُعدّ البطاريات عالية الأداء ضرورية، لا سيما للشبكات الذكية ، لضمان استقرار الشبكة. علاوة على ذلك، تُتيح تقنيات تخزين الطاقة الكهربائية الحديثة إمكانية تلبية الطلب المتزايد على الأجهزة المحمولة. مع ذلك، تتطلب كل هذه الأهداف اقتصادًا دائريًا مستدامًا ، كما هو منصوص عليه في لائحة البطاريات الأوروبية. ويركز القسم أيضًا على الرقمنة كموضوع ذي صلة. فالرقمنة مهمة في مجالات الإنتاج، ومرحلة الاستخدام، ونهاية عمر البطارية. إضافة إلى ذلك، يجب التعامل مع هذه المناهج الجديدة في سياق جواز سفر البطارية .

أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية

يغطي هذا المجال التجاري أسواق التطبيقات ذات درجات الحرارة المنخفضة والعالية. وتُستخدم مُجمّعات الطاقة الشمسية الحرارية وأنظمة التجميع ذات الأنابيب المسطحة أو المفرغة من الهواء في العديد من التطبيقات العملية، بما في ذلك أنظمة تسخين مياه العمليات وأنظمة التسخين الشمسي، وأنظمة التبريد والتهوية، وأنظمة تحلية مياه البحر. كما تُستخدم مُجمّعات مُدمجة في واجهات المباني. وباستخدام مُجمّعات التركيز الخطية، يُمكن الوصول إلى درجات حرارة تشغيل تتراوح من 150  درجة مئوية إلى أكثر من 400  درجة مئوية. ولا تقتصر استخدامات مُجمّعات القطع المكافئ والمُجمّعات ذات الشكل المقعر على إنتاج الطاقة الشمسية الحرارية في محطات الطاقة الكبيرة فحسب، بل تُستخدم أيضًا في محطات أبسط وأكثر فعالية من حيث التكلفة لإنتاج حرارة العمليات وبخار العمليات وحرارة التشغيل لمبردات الامتصاص. [ 2 ]

الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون

بفضل برامج طرح المنتجات في الأسواق اليابانية والألمانية، يتزايد دور الخلايا الكهروضوئية أهميةً. إذ تعتمد أكثر من 85% من الخلايا الشمسية المنتجة عالميًا على السيليكون البلوري. وتشير نسبة السعر إلى الأداء، والاستقرار طويل الأمد، وإمكانية خفض التكاليف، إلى أن هذا المنتج الرائد في سوق الخلايا الكهروضوئية الأرضية سيحافظ على مكانته كشركة رائدة في السوق لأكثر من عقد من الزمان. وتغطي خبرة معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (ISE) سلسلة القيمة الكاملة للخلايا الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون البلوري، بدءًا من تطوير المواد وبلورتها، وصولًا إلى معالجة الخلايا الشمسية وتكنولوجيا الوحدات الكهروضوئية. [ 2 ]

وحدات وأنظمة الخلايا الكهروضوئية

تحوّل تقنية الوحدات الشمسية الخلايا الشمسية إلى منتج متين يضمن التشغيل الموثوق في محطات الطاقة الكهروضوئية. يدعم معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (ISE) تطوير المنتج مع التركيز على زيادة الكفاءة، وخفض التكاليف، وتحقيق أعلى مستويات الموثوقية. يقدم المعهد خدماته لضمان جودة الوحدات الشمسية ومحطات الطاقة. [ 2 ]

تقنيات الخلايا الكهروضوئية البديلة

إلى جانب الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون، يمتد بحث الخلايا الشمسية في معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية ليشمل تقنيات كهروضوئية أخرى: فباستخدام أشباه الموصلات القائمة على أشباه الموصلات من النوع III-V، مثل فوسفيد الغاليوم والإنديوم ، أو زرنيخيد الغاليوم والألومنيوم ، أو زرنيخيد الغاليوم، يمكن الوصول إلى أعلى مستويات الكفاءة اليوم. وقد تطورت تقنية الخلايا الشمسية الصبغية بشكل كبير وتجاوزت مرحلة المختبر، وتُعد الخلايا الشمسية العضوية جذابة بشكل خاص نظرًا لانخفاض تكاليف تصنيعها المتوقعة. [ 2 ]

مصدر الطاقة المتجددة

يُعدّ إنشاء الأنظمة المتصلة بالشبكة أكبر سوق لفرع الطاقة الكهروضوئية اليوم. يقدم المعهد خدمات استشارية لتخطيط الأنظمة، ويُحدد خصائص الوحدات الشمسية، ويُجري التحليل الفني واختبار أداء أنظمة الطاقة الكهروضوئية. [ 2 ]

تُعدّ مصادر الطاقة خارج الشبكة محورًا رئيسيًا للبحوث الجارية في المعهد. فالسكان الذين يعيشون في المناطق الريفية النائية، والعدد الهائل من أنظمة الاتصالات، وتقنيات قياس البيئة، فضلًا عن الأجهزة الإلكترونية المحمولة، جميعها تتطلب مصدر طاقة مستقلًا عن الشبكة. ولهذا الغرض، يعمل معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية على تطوير أنظمة الطاقة المتجددة. [ 2 ]

يُجري معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (ISE) أيضاً أبحاثاً في مجال إلكترونيات الطاقة والتحكم. ويشمل ذلك تطوير واختبار العاكسات في مختبر حديث لإلكترونيات الطاقة، بالإضافة إلى أبحاث في مجال إدارة الطاقة، بما في ذلك العدادات الذكية والشبكات الذكية. [ 2 ]

في المستقبل، ستعمل المركبات جزئيًا أو كليًا بالكهرباء، وستستمد طاقتها من الشبكة الكهربائية (الكهربائية والكهربائية القابلة للشحن). ويعمل معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (ISE) على تطوير مفاهيم لتوفير طاقة صديقة للبيئة، ودمج المركبات بشكل أمثل في شبكة الكهرباء، بما في ذلك أنظمة القياس والفوترة، وذلك بهدف الربط بين المركبات والشبكة. [ 2 ]

تكنولوجيا الهيدروجين

في خلية الوقود، يتفاعل الهيدروجين مع الأكسجين مُطلقًا طاقةً مفيدةً على شكل كهرباء وحرارة. ولأن الهيدروجين لا يوجد في الطبيعة بصورته النقية، فلا بد من إنتاجه من أحد مركباته الكيميائية العديدة. في معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (ISE)، يركز البحث في مجال تكنولوجيا الهيدروجين على التقنيات المبتكرة لتوليد الهيدروجين، وعلى عمليات تحويله بكفاءة عالية إلى كهرباء وحرارة باستخدام أحدث المعدات. وبالتعاون مع شركاء من الصناعة والعلوم، يتم تطوير مكونات وأنظمة خلايا وقود متكاملة لتطبيقات مستقلة ومحمولة ومتنقلة. [ 1 ] [ 2 ] [ 4 ]

وحدات الخدمة

حالياً، تقدم مختبرات الاختبار المعتمدة التالية خدمات الاختبار والمعايرة في المختبرات:

  • أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية من مختبر الاختبار
  • واجهات الطاقة الشمسية من مختبر الاختبار
  • وحدات اختبار الخلايا الكهروضوئية
  • خلايا CalLab الكهروضوئية
  • وحدات CalLab الكهروضوئية

وتشمل مرافق الخدمات الأخرى في المختبرات ما يلي:

  • ضمان جودة محطات الطاقة الكهروضوئية
  • إلكترونيات الطاقة الكهروضوئية
  • مختبر العاكس
  • مختبر اختبار البطاريات
  • مختبر الإضاءة
  • مختبر مضخات الحرارة بضغط البخار
  • مختبر مواد تغيير الطور (PCM)
  • مختبر اختبار مواد الامتزاز والمواد المسامية
  • خلايا وقود مختبر الاختبار

تعاون

يُعد المعهد أحد الأعضاء المؤسسين والعضو المسؤول عن تحالف فراونهوفر للطاقة، الذي يضم ستة عشر معهدًا من معاهد فراونهوفر ذات خبرة في تكنولوجيا الطاقة وأبحاث الطاقة.

المعهد عضو في ForschungsVerbund Erneuerbare Energien (FVEE) والوكالة الأوروبية لمراكز أبحاث الطاقة المتجددة (EUREC)، بالإضافة إلى تحالفات أخرى.

يُقيم المعهد تعاوناً وثيقاً مع مركز أبحاث المواد بجامعة فرايبورغ ، الذي يُساعد المعهد في أبحاثه الأساسية. ويشغل مدير المعهد منصباً أكاديمياً في تلك الجامعة كأستاذ للفيزياء والعلوم التطبيقية .

الشركات المشتقة

حتى الآن، تم تأسيس سبع شركات منبثقة عن نتائج البحوث التطبيقية في معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية. [ 5 ] ومن بينها ما يلي:

  • تأسست شركة PSE AG عام 1999 لتقديم الخدمات والخبرات في مجال الطاقة الشمسية. وإلى جانب إعداد الدراسات والتقارير، توفر الشركة تقنيات القياس والتحكم ومعدات المختبرات المصممة حسب الطلب.
  • تأسست شركة Holotools GmbH (التي تُعرف الآن باسم temicon GmbH - holotools) في عام 2001 لتطوير وتصنيع أسطح وظيفية للتحكم في الضوء. ومن بين خبراتها المتميزة، على سبيل المثال، إنتاج هياكل دقيقة متجانسة واسعة المساحة للأسطح البصرية.
  • في عام ٢٠٠٢، انفصلت شركة سورتك إيه جي (التي أعيد تسميتها إلى فهرنهايت إيه جي اعتبارًا من مارس ٢٠١٧) لاستغلال مصادر الحرارة لإنتاج البرودة، مستخدمةً بذلك الحرارة المنخفضة كمصدر للطاقة بدلًا من الكهرباء. ونتيجةً لذلك، طورت فهرنهايت التقنية الأساسية، وهي التبريد بالامتصاص، وتنتج مبردات تستخدم الحرارة المتبقية من مصادر متنوعة لتوليد البرودة بكفاءة اقتصادية.
  • قدمت شركة Soitec Solar، التي تأسست عام 2005، تقنية مبتكرة للطاقة الشمسية الكهروضوئية تستخدم ضوء الشمس المركز. وبفضل هذه التقنية،  يجري تطوير وتصنيع وتركيب محطات طاقة شمسية كهروضوئية بقدرات تتراوح من 100 كيلوواط إلى عدة ميغاواط.
  • في عام ٢٠١٤، انفصلت شركة Enit Energy IT Systems GmbH لتطوير وتسويق أنظمة إدارة الطاقة للمؤسسات المتوسطة الحجم. تساعد هذه الأنظمة العملاء على الحصول على مزيد من الشفافية بشأن استهلاكهم للكهرباء والتدفئة والغاز. بالإضافة إلى ذلك، تُمكّن منتجات الشركة من التحكم الذكي في النظام وتحسين كفاءة التشغيل.

الموظفون والبنية التحتية والتمويل

يضم المختبر طاقمًا مكونًا من 1139 شخصًا، منهم 439 يشغلون وظائف دائمة. (اعتبارًا من 04/2012).

تبلغ مساحة المعهد البحثي الصافية 21000 متر مربع، وتضم مكاتب ومختبرات ومواقع اختبار. ويجري حالياً إنشاء مختبرات ومكاتب جديدة.

بلغ إجمالي الميزانية التشغيلية لعام 2011 مبلغ 61.3 مليون يورو. شكل التمويل الأساسي 5% فقط من الميزانية التشغيلية، بينما مُوِّل 90% منها من الأموال الفيدرالية الألمانية و10% من أموال الدولة الألمانية. وجاء حوالي 50% من أبحاث التعاقد مع القطاع الصناعي، أما الباقي فجاء من مصادر عامة وأخرى. وفي عام 2011، بلغت الاستثمارات السنوية 7.7 مليون يورو (حتى أبريل/نيسان 2012) [ 2 ].

مراجع

  1. 1 2 3 "دليل الخلايا الكهروضوئية" (ملف PDF) . وكالة بادن-فورتمبيرغ الدولية للتعاون الاقتصادي والعلمي الدولي . تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 يونيو 2012 .
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 "التقرير السنوي لمعهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية 2011" (ملف PDF) . معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية، فرايبورغ/ألمانيا . تاريخ الاطلاع: 13 يونيو 2012 .
  3. ^ جانزينج ، برنوارد (2011). سولاري زيتن . فرايبورغ/ألمانيا: برنوارد جانزينج. رقم ISBN 978-3-9814265-0-2.
  4. ^ فرانكي، وولف د. Kompendium Erneuerbare Energien . فرانكفورت أم ماين / ألمانيا: FAZ-Inst. für Management-, Markt- und Medieninformationen, 2009. ISBN 978-3-89981-215-2.
  5. ↑ "الشركات المنبثقة - معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية" . www.ise.fraunhofer.de . تم الاطلاع عليه بتاريخ 31 مايو 2016 .