الخلايا الضوئية
إن مادة السيليكون تعتبر أحد أهم أصناف النواقل المستخدمة في تصنيع الخلايا الكهروضوئية التي تعتبر بسيطة التركيب وأصبحت مدروسة بشكل جيد ، ففي عام 1954 تمت صناعة أول خلايا كهروضوئية سيليكونية في معهد بل لابس Bell labsفي الولايات المتحدة الأمريكية بمردود ( 6 % ) . ومن الجدير بالذكر أن السيليكون كمادة نقية لا يوجد في الطبيعة على حالة منفردة ولكن في صورة متحدة وهو من أكثر العناصر انتشاراً على سطح الأرض بل يلي الأوكسجين وهو يوجد في الطبقات الخارجية للأرض ويوجد في الطبيعة في صورة أكسيد سيليكا .
تقسم الخلايا الكهروضوئية السيليكونية إلى ثلاث مجموعات أساسية :
- الخلايا السيليكونية الغير بلورية .
- الخلايا السيليكونية الوحيدة البلورة .
- الخلايا السيليكونية المتعددة البلورات .
يتم حالياً في الصناعة إنتاج خلايا كهروضوئية على مبدأ الخلايا السيليكونية الوحيدة البلورة وبمردود ( 14-15 % ) .
أما المرايا فهي فكرة جديرة بالاهتمام فلقد بنى الروس لوحاً شمسياً سطحه أقل من نصف متر مربع واستطاعته ( 150 W ) ، وهي استطاعة أكبر من التي تولدها الألواح الأمريكية ذات السطح نفسه بأربع مرات حيث أن العلماء الروس قد توصلوا لذلك بزيادة ضوء الشمس الساقط على البطاريات بمقدار عشر مرات .
ومن الجدير بالذكر أنه لا يجوز تركيز ضوء الشمس أكثر من حد معين حيث أن ذلك يؤدي إلى تسخين البطاريات تسخيناً قد يجعلها تقف عن العمل وقوفاً تاماً .
لاقت مركزات الأشعة الشمسية في السنوات الأخيرة استخداماً واسعاً لأنها تساعد على زيادة كثافة الأشعة الساقطة على الخلية الكهروضوئية وذلك نتيجة لعمليات الانكسار ، الانعكاس ، تحويل طول الموجة والانعراج .
وجدير بالذكر أنه باستخدام مركزات الأشعة تتناقص حاجة الخلايا الكهروضوئية من مادة السيليكون النصف ناقل طرداً مع درجة التركيز المذكورة .
والمحطات العاملة على الطريقة الكهروضوئية لا تحتاج لمياه تبريد ولا تحوي أجزاء متحركة مما يعني انعدام التآكل فيها وهي لا تحتاج لصيانة إذا ركبت بشكل جيد ومناسب .
المحطات الكهروضوئية قادرة أيضاً على تحويل الجزء المنتشر من الإشعاع الشمسي مما يجعلها ملائمة للطقس الغائم .
تعريف الخلايا الشمسية ومبدأ عملها :
الخلايا الشمسية محولات تأخذ طاقة من أشعة الشمس وتحولها إلى نوع آخر من الطاقة حيث تحول الخلايا الشمسية نور الشمس إلى كهرباء وتطرد كمية كبيرة من الحرارة بدون أي أجزاء مؤثرة ( ضوضاء أو تلوث أو إشعاع أو صيانة .. ) .
مميزات استخدام هذه المنظومات :
كيفية عمل هذه الخلايا :
توجه لوحة الخلايا الضوئية بزاوية ميل مناسبة في واجهة الشمس حتى تتساقط أشعة الشمس عمودياً على اللوحة . تحول الخلايا الشمسية القدرة الشمسية مباشرة إلى قدرة كهربائية بدون عمليات وسطية ، فهي تمتص معظم الطيف الشمسي وتحول جزء من هذه الإشعاعات إلى طاقة كهربائية حيث يمكن استخدامها في الحال أو تخزينها . والمنظومات من هذا النوع تصمم أساساً لأجل المنشآت في المواقع البعيدة لفترات طويلة حيث تتصف عادة مثل هذه المواقع بقساوة عالية في طقسها ، ولذلك يجب أن تكون هذه المنظومات ذات مقاومة عالية للرياح والرطوبة والبرد والعواصف الرملية وأن تحاط بتصميم ضد هجمات الطيور والحيوانات والتآكل ، لهذا فإن المواد الأساسية التي تثبت بها الخلايا يجب أن تقاوم هذه الأشياء المحيطة ومعدن هذه الخلايا لا يتعرض للتآكل وهذه نقطة هامة جداً حيث تصنع غالبية الخلايا الشمسية من السيليكون وهو نصف معدن وقد يكون عازل ومعدن .
في حالته كمعدن لا تكون إلكترونات ذراته مرتبطة بإحكام مما يؤدي إلى جريانها بسهولة عندما يطبق عليها ضغط كهربائي ، بينما تكون الكترونات ذراته في حالة العازل مرتبطة بشدة ولا يحدث جريان عندما يطبق عليها الضغط الكهربائي .
ومن أسباب اختيار المواد السيليكونية :
تصنع الخلايا الشمسية بجمع أو ضم نوعين من أشباه المعادن أحدهما سلبي والآخر إيجابي ، حيث أن نصف المعدن الإيجابي يصنع لاحتواء آيونات سلبية ونصف المعدن السلبي يصنع لاحتواء آيونات إيجابية ، وهذه الآيونات الإيجابية والسلبية تهيء البيئة الضرورية لمرور تيار كهربائي يتحرك ضمن الخلية الشمسية ، والضوء الصادر من الشمس هو عبارة عن جدول من جزيئات الطاقة الصافية المسماة فوتونات .
تتدفق هذه الطاقة الصافية من الشمس على الخلية الشمسية فتقوم هذه الفوتونات باختراق السيليكون وتضرب ذراته بشكل عشوائي مما يؤدي إلى تأبين ذرات السيليكون حيث يؤدي ذلك إلى إفلات إلكترون خارجي من مداره محولاً طاقته إلى طاقة حركة للالكترون ، وحركة هذه الالكترونات بطاقتها تسمى بالتيار الكهربائي .
يبين الشكل التالي خلية شمسية حيث أن أي خلية شمسية مثالية تتألف من غطاء زجاجي لختم الخلية وإلكترودين أحدهما خلفي والآخر أمامي وطبقات من شبه المعدن ، حيث تكون أشعة الشمس مجمعة على الالكترود الأمامي فيمر التيار الكهربائي عائداً إلى الخلية الشمسية عبر الالكترود الخلفي .
من الجدير بالذكر أن الخلايا الشمسية لا تستطيع لوحدها إنتاج القوة الصالحة للاستعمال فمن الضروري ربطها بمكونات النظام الأخرى
منحني عمل الخلية الكهروضوئية :
إن الغاية الأساسية من الخلية الكهروضوئية هي أن تعطي تيار وتوتر كهربائي معين ليغطي استطاعة حمل معينة ولذلك فإن خاصية التيار – التوتر ( I – V ) للخلية تعتبر النقطة الأساسية في اختبار الخلية ، وتمثل هذه الخاصية عادة على شكل منحني يسمى بالمنحني المميز أو منحني عمل الخلية الكهروضوئية • V = 0 دارة الخلية تكون في حالة قصر والتيار يساوي ISC تيار القصر . • 0 = I فإن دارة الخلية تكون مفتوحة والتوتر عندها يساوي VOC .
تؤخذ نقطة عمل الخلية الكهروضوئية في النقطة التي يكون فيها التوتر والتيار أكبر ما يمكن أي في النقطة التي تكون فيها الاستطاعة أعظمية : P max = I max . V max
تجميع الخلايا الكهروضوئية :
من أجل الحصول على أنظمة عملية للطاقة الكهروضوئية لا بد من تجميع عدد معين من الخلايا بغية الحصول على توتر عالي وتيار كهربائي معين يمكن من خلالهما الحصول على استطاعة كهربائية لحمل معين .
تطبيقات الخلايا الشمسية :
وقد تم مؤخراً صنع خلايا شمسية بقاعدة متحركة تدعى التابعات الشمسية ، حيث أنه خلال فترة النهار تمر الشمس عبر الخلايا الشمسية في مسار شبه دائري متجهة من الشرق إلى الغرب عبر الأفق ، لذلك فإن الزاوية بين الشمس والخلايا تختلف بشكل كبير علماً أن أفضل زاوية موجودة هي عندما تسقط أشعة الشمس عمودية على الخلايا .
وبناءً على ذلك فإن أفضل النتائج هي حين تكون الأشعة الشمسية عمودية على سطح الخلايا طيلة اليوم .
استخدمت الخلايا الكهروضوئية في مجال الفضاء منذ فترة طويلة جداً وذلك في ( 17 ) آذار عام 1958 حين أطلق ( القمر الصناعي van gard 1 ) وكان على سطحه ( 6 ) خلايا كهروضوئية ، ولقد أثبتت الخلايا فعاليتها في هذا المجال فهي ما زالت تعمل على إرسال الإشارات دون توقف في حين أن البطاريات الأخرى توقفت عن العمل بعد فترة وجيزة من انطلاق السفينة ، ومنذ ذلك الحين والخلايا الكهروضوئية ( الشمسية ) تستعمل على نطاق واسع في مجال الفضاء حيث ساعد استعمالها على زيادة طول الرحلات الفضائية ، فلقد أثبتت قدرتها على تأمين التغذية الكهربائية بشكل مستمر ودائم لرحلات السفن الفضائية وبوثوقية عالية ومردود عالٍ نسبياً .
تطبيقات الخلايا الكهروضوئية
2- تشكل مصدراً مجانياً للوقود الذي لا ينضب . 3- طاقة نظيفة لا تنتج أي نوع من أنواع التلوث البيئي . 4- محدودية مصادر الطاقة التقليدية . 2- تعتبر بنية محطات القدرة العاملة بهذا الأسلوب أبسط بكثير حيث أنها تحتوي ألواحاً ثابتة مما يعطي إمكانية إنقاص وأحياناً الاستغناء كلياً عن صيانة مثل هذه المحطات ، وبالتالي سيكون استثمارها سهلاً في المناطق البعيدة حيث لا يتوفر الكادر الفني المختص وبالتالي فإن مصاريف التشغيل والصيانة قليلة . 3- إمكانية تصميم خلايا كهروضوئية ( خلايا شمسية ) بحجوم مختلفة ومهام متنوعة والتي يمكن أن تتألف من أقسام ( بلوكات ) مستقلة وبمردود عمل يتطابق مع مردود الخلية بكاملها . 4- وجود إمكانية كبيرة لتطوير وتصنيع الخلايا الكهروضوئية العنصر الرئيسي في المحطات الكهروضوئية وذلك بهدف إنقاص حجمها وكلفتها وزيادة استطاعتها . 5- ذو وثوقية عمل عالية . 2- الثبات الجيد مع الطقس المحيط . 3- عازل ممتاز للكهرباء . 4- عالي القدرة . 1- طاقة هائلة يمكن استغلالها في أي مكان 1- عدم الحاجة إلى تنظيم المراحل والعمليات الحرارية اللازمة . 1- هذه الخلايا الشمسية بسيطة ولا تتضمن أي أجزاء متحركة . 2- لا تتطلب مولدات القدرة الشمسية أي صيانة تكنولوجية ، وبالتالي لا توجد تكلفة عملية للصيانة أو التشغيل . 3- لا تتطلب إعادة حك بالوقود . 4- لا تنتج أية عوادم تلوث للهواء . 5- قادرة على العمل بكفاءة وجودة عالية في كثير من الاستخدامات . 6- يمكن استخدامها لمدة طويلة غير محدودة . 7- لا تتأثر بالأحوال الجوية أو تغيرات الطقس أو الأحوال المحيطة 1- أنه عالي التوصيل الحراري . 1- تأمين الطاقة الكهربائية لقوارب الملاحة واليخوت البحرية . 2- تغذي بعض الاحتياجات المنزلية كمضخة الماء والنيون والتلفزيون .... 3- الإمداد بالقدرة لإنارة المنازل . 4- إضاءة الأرصفة على سواحل الميناء والمنشآت البحرية على الشاطىء وداخل البحر . 5- في عملية التكييف والتدفئة باستخدام مباشر لهذه الخلايا من الطاقة الحرارية المطرودة منها . 6- في الاتصالات ( الراديو ومستقبلات الراديو ) . 7- تشغيل طلمبات الري وماء الشرب . 8- علامات الطرق السريعة والسكك الحديدية في الطرق الصحراوية ، وغيرها من الاستخدامات الأخرى .
استخدام المنظومات الكهروضوئية للربط مع الشبكات الكهربائية :
تم تشييد عدد من المنظومات الكبيرة السعة في عدد من دول العالم .
رد مع اقتباس
المشاركة الأصلية كتبت بواسطة مارو ياسمين الشام
