|
| الطاقة الشمسية لتوليد الكهرباء |
الطاقة الشمسية
يعتبر ضوء الشمس وحرارتها من حقائق الكون المسلم بها والتي وهبها الله لخلقه كمنبع للضوء والدفء وواحدة من مصادر الحياة ينتفع منها الإنسان والحيوان والنبات.وهنالك حقيقة قد تكون خافية على كثير من الناس وهي أن كل أنواع الطاقة على الأرض يرجع مصدرها للشمس. على سبيل المثال طاقة المياه والرياح تسببها الطاقة الشمسية وكذلك مواد الوقود الهيدروكربونية مثل الفحم الحجري والزيت والغاز الطبيعي قد تم تكوينها بواسطة تفاعل طاقة الشمس مع المواد العضوية.
تحصل الأرض على معظم طاقاتها من الشمس على شكل إشعاع كهرومغناطيسي والذي يتكون من 3% أشعة فوق البنفسجية و 42% أشعة مرئية و55% أشعة تحت الحمراء وتحتفظ الأرض بواحد في المائة فقط من هذه الأشعة.
تمثل الطاقة الشمسية التي تتساقط على متر مربع واحد فوق السحب 1350 وات وعلى مستوى الأرض يكون متوسط هذه الطاقة حوالي 100 وات. وتساوي الطاقة الشمسية التي تتلقاها الأرض سنويا من خمسة إلى عشرة اضعاف طاقة الوقود المخزونة بما في ذلك اليورانيوم.
والطاقة الشمسية هي أنظف مصادر الطاقة المتجددة المتاحة وأكثرها وفرة و يمكن لتقنيات الطاقة الشمسية تسخير هذه الطاقة لمجموعة متنوعة من الاستخدامات ، بما في ذلك توليد الكهرباء ، وتوفير الإضاءة أو بيئة داخلية مريحة ، وتسخين المياه للاستخدام المنزلي أو التجاري أو الصناعي.
استغلال الطاقة الشمسية
يمكننا استغلال الطاقة الشمسية كمصدر حراري سواء كان للتسخين وهذا يعتبر من أقدم الأساليب أو لتحويلها إلى طاقة حركية وذلك باستخدام التقنيات الحديثة.
أما عن أسلوب استغلال الطاقة الشمسية كمصدر ضوئي يعتبر أسلوب حديث نسبيا ويستخدم في ذلك الخلايا الفولت الضوئية (Photovoltaic cells) التي تحول ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء.
الخلايا الفولت الضوئية Photovoltaic cells
تعتبر الخلايا الفولت الضوئية الأسلوب الوحيد لاستغلال الطاقة الشمسية كمصدر ضوئي وهي عبارة عن مواد شبه موصلة مصنعة من السليكون (Silicon). وعملية تصنيع المواد شبه الموصلة تتمثل في إعطاء شحنة سالبة لمادة السليكون بإضافة عنصر الفسفور(Phosphorus) ويسمى السيليكون السالب ( N-type Silicon) أو بإضافة عنصر البورون (Boron) ويسمى السيليكون الموجب (P-type Silicon).
وعنصر الفسفور هو من المجموعة الخامسة أي له خمسة الكترونات على الدائرة الخارجية للذرة مما يسمح ببقاء إلكترونات إضافية عند تفاعله مع السليكون فنحصل على السيلكون السالب N-Type silicon. كذلك عنصر البورون هو من المجموعة الثالثة أي له ثلاثة
إلكترونات على الدائرة الخارجية للذرة مما يكون الثقوب (holes) عند تفاعله مع السيليكون وهكذا تتكون طبقة السيليكون الموجب
P-Type silicon.
تتكون قاعدة الخلية الفولت الضوئية من السليكون الموجب تعلوها طبقة خفيفة من السليكون السالب كما يبينه الشكل التالي
 |
| مكونات الخلية الفولت الضوئية |
بما أن طبقة السليكون السالب خفيفة جدا فإن ضوء الشمس المتكون من الفوتونات (Photons) يخترقها بعمق حتى يصل إلى الطبقة
الفاصلة مع السليكون الموجب فيدفع الإلكترونات وتتكون الثقوب في هذا الجزء.
وتكون النتيجة أنه بإمكاننا أن نستخدم هذه الخلية كمصدر طاقة حيث يكون السليكون السالب والسليكون الموجب القطبين السالب والموجب بالتوالي.
كفاءة تحويل الطاقة عند الخلايا الشمسية
يمكننا تعريف كفاءة الخلية الشمسية بنسبة القدرة المستخرجة من الخلية إلى القدرة التي تستقبلها الخلية من ضوء الشمس. وهذه الكفاءة تحددها القيمة النظرية لأقصى كمية طاقة يمكن أن تحول لقدرة كهربائية. هذه الكفاءة القصوى هي حوالي 25 بالمائة ورغم أن هذه الكفاءة متدنية إلا أننا عندما نقارنها بكفاءات تحويل طاقة أخرى نجدها اعتيادية، فمثلا محركات السيارات الاعتيادية لا تزيد كفاءة تحويل الطاقة فيها من حرارية إلى ميكانيكية عن 25%.
كفاءة الخلية = القدرة الخارجة /القدرة الداخله
العوامل المؤثرة في كفاءة الخلية الشمسية
هنالك عدة عوامل تؤثر على كفاءة الخلية ومنها:- أن الضوء الذي ينعكس من سطح الخلية لا يخترق طبقة السليكون السالب (N-type) إلى طبقة السليكون الموجب (P-type) ولذلك فإن كفاءة الخلية تقل.
- من المعرف أن طبقة السليكون السالب تكون خفيفة لتمكين الضوء من اختراقها وعندما تثبت هذه الطبقة مع طبقة السليكون الموجب فإن المادة المعدنية التي تستعمل لثبيت الجزأين تحجز بعض أشعة الضوء من المرور للجزء الثاني مما يقلل من كفاءة الخلية.
- هنالك تأثير الحرارة، فالخلية مصممة عادة لتعمل في مدى حراري من محدد وعندما تبدأ درجة حرارة الخلية في الارتفاع، ينخفض الجهد بمعدل 2mV لكل درجة مئوية. ويعوض هذا الانخفاض بارتفاع التيار الذي يزيد بمعدل 0.5 ملي أمبير لكل درجة مئوية. ولكن القدرة تنخفض بمعدل 0.3 بالمائة كلما ارتفعت الحرارة بمعدل درجة مئوية واحدة.
توصيل الخلايا على التوالي والتوازي
بحكم أن جهد وتيار الخلية ضعيف جدا فيتم توصيل عدد كبير من الخلايا على التوالي وعلى التوازي للحصول على الجهد والتيار اللازمين. عندما توصل الخلايا على التوالي يكون الجهد الحاصل هو مجموع جهد هذه الخلايا ولكن التيار يكون تيار الخلية الواحدة. وعندما توصل الخلايا بالتوازي يكون الجهد مساويا لجهد الخلية الواحدة والتيار مجموع تيارات الخلايا الموصلة بالتوازي.
تشكل الخلايا الموصلة على التوالي والتوازي ما يعرف باللوحة الشمسية.
تسوق الخلايا على شكل لوحات شمسية وتعرف كلوحة من مواصفاتها كقدرة وجهد وذلك عند استقبال اعلي كمية من الاشعة الشمسية.