تحتوي أشعة الشمس على العديد من الفوتونات والطاقة، ومن خلال الطاقة المتجددة يتم تلبية احتياجات الكرة الأرضية، ومع التقدم الحاصل في عصرنا الحالي والقدرة على تصنيع الخلايا الشمسية، بدأ استخدام الطاقة الشمسية في توليد الكهرباء.
وذلك من خلال الألواح الشمسية التي تحتوي على العديد من الخلايا الكهروضوئية. في هذه المقالة، سنتعرف بشكل أعمق على مبدأ عمل الخلايا الشمسية.
معنى الخلية الشمسية
- هو جهاز وآلة تتكون من خلايا مرصوفة جنبا إلى جنب، وتعمل بتأثير ضوئي مرئي.
- تتحول أشعة الشمس إلى كهرباء وتعرف بالخلايا الضوئية أو الخلايا الكهروضوئية.
- استخدمت هذه الخلايا منذ عقود، بدءا من عام 1996، وتعمل عبر الأقمار الصناعية.
- يقوم تلك الخلايا الشمسية بتزويد محطة الفضاء الدولية بالطاقة الكهربائية.
- في إسبانيا حاليا، توجد أكبر محطة لتوليد الكهرباء، وتعمل بالطاقة الشمسية، وتصل قدرتها إلى حوالي 23 ميجاواط تقريبا.
- يتم التخطيط لبناء أكبر محطة لتوليد الكهرباء في إسبانيا، بقدرة تقدر بحوالي 154 ميجاواط، والتي تعتمد على الخلايا الشمسية.
- في الأيام الأولى من تطويرها، كانت تسمى الخلية الشمسية، الضوئية، أو الكهروضوئية، وبعد ذلك تغيرت تلك التسمية لتصبح بطارية شمسية بمعنى مختلف.
للتعرف على المزيد: ما هي أدوات تحويل أشعة الشمس إلى طاقة كهربائية
مبدأ عمل الخلايا الشمسية
- توضع الخلايا الشمسية مباشرة تحت أشعة الشمس، ثم تقوم هذه الخلايا بامتصاص أشعة الشمس.
- وتحويلها إلى طاقة كهربائية التي يستفيد الإنسان منها في مجالات وأغراض متعددة.
- بناء على ما سبق، يمكن استخدام أشعة الشمس كبديل للمولدات الكهربائية.
- عندما يشرق الشمس وتحمل هذه الأشعة كمية هائلة من الطاقة، تستقبل الألواح الشمسية هذه الطاقة.
- تحتوي تلك الألواح على عدد كبير من خلايا الطاقة الشمسية المرتبة جنبا إلى جنب كما ذكر.
- وتتألف هذه الخلايا في الغالب من السيليكون، وهي مواد شبه موصلة.
- تقوم هذه الخلايا بتلقي الطاقة الشمسية ثم تنتقل إلى عملية الطرد وتشكل حقلا كهربائيا.
- عندئذ، تتحرر الإلكترونات من السيليكون أو المادة الشبه موصلة وتتجمع لتشكل طاقة كهربائية، وينتج عن هذا التجمع تيار مستمر (DC)، والذي يتم إنتاجه بطريقة كيميائية في البطاريات.
- من خلال محول يسمى محول تردد، يتم تحويل التيار الكهربائي الكيميائي المستمر إلى تيار كهربائي متردد، ويتم استخدامه في الحياة اليومية.
أنواع الخلايا الشمسية
تم تطوير صناعة الخلايا الشمسية ونتيجة لذلك تم إنتاج أنواع مختلفة من الخلايا التي تختلف في الكفاءة والاستخدام والعمر الافتراضي، بما في ذلك:
الخلايا الأحادية التيار
- تم إنتاج هذا النوع من الخلايا باستخدام مادة السيليكون.
- تتميز هذه الخلايا بكفاءتها العالية وقدرتها على امتصاص طاقة الشمس بنسبة تتراوح بين ١١٪ و ١٦٪، وذلك عن طريق الإشعاع الشمسي القادم والذي يمكن أن يصل توهجه إلى ١٠٠٠ واط لكل متر مربع.
- كل متر مربع من هذه الخلايا يمكنه إنتاج حوالي 110 واط.
خلايا متعددة التبلور
- تتكون من رقائق مشتقة من بلورات أسطوانية مصنوعة من السيليكون، وتمت معالجتها كيميائيا في الأفران لزيادة خواصها الكهربائية.
- تتراوح نسبة هذا النوع من الخلايا بين 9% إلى 13% من الكفاءة.
الخلايا اللمورفية
- يتميز هذا النوع من التقنية والخلايا بسهولة التصنيع، حيث يتكون السيليكون فيها من طبقات رفيعة على سطح مصنوع من الزجاج أو البلاستيك.
- تتراوح كفاءة هذه الخلايا بين 3% إلى 6% تقريبا.
- هذا النوع من الخلايا مناسب للمجالات التي تحتاج إلى 40 واط أو أقل.
شاهد أيضا: تطبيقات على استخدام الخلايا الشمسية
مادة السيلكون في الخلايا الشمسية
- ذرة السيليكون تحتوي على 14 إلكترونا، المدار الأول يتسع حتى 2 إلكترون، والمدار الثاني يتسع حتى 8 إلكترونات، وهما مداران مستقران.
- يحتوي المدار الثالث على أربعة إلكترونات، وهو مدار غير مستقر، لذلك يحتاج إلى أربعة إلكترونات مختلفة لاكتماله.
- ترتبط ذرة السيليكون بذرة سيليكون مختلفة في رابطة تشاركية للحفاظ على استقرارها، وفي النهاية نحصل على مادة السيليكون البلورية.
- يجب استخدام السيليكون البلوري في صنع الخلايا، حيث يمنع وجود الإلكترونات المتحررة، وبذلك يساعد في تكوين التيار الكهربائي من الطاقة الشمسية.
- تتم تعديل ذرات السيليكون قليلا لتتوافق مع مبدأ عمل الخلايا الشمسية، وتحل هذه المشكلة عن طريق إضافة شوائب مثل ذرة الفوسفور إلى مادة السيليكون.
- تحوز ذرة الفوسفور، في المدار الخارجي الأخير، على 5 إلكترونات، وبالتالي فهي غير قادرة على الربط مع ذرات السيليكون المجاورة لها.
- وهناك إلكترون واحد ليس لديه رابطة، ويحدث تسرب لبعض الإلكترونات، مما يترك فجوة ناتجة عن سقوط أشعة الشمس.
- تعرف هذه الإلكترونات في الخلية الشمسية باسم النواقل الحرة.
- السيليكون له نوعان، السيليكون السالب الذي يحتوي على شوائب الفسفور، والسيليكون الموجب الذي يتم إضافة عنصر البورون إليه والذي يحتوي على ثلاثة إلكترونات في المدار الأخير.
- وبناء على ما سبق، يتم تكوين حقل كهربائي يسمح للإلكترونات الحرة بالحركة بشكل منتظم، وذلك لتوليد تيار كهربائي يمكننا الاستفادة منه.
أكبر المشاريع للخلايا الشمسية
مشروع نور للطاقة الشمسية
- توجد في المغرب محطة نور، وتعتبر أكبر مشروع للطاقة الشمسية في العالم بأكمله.
- ويوجد في منطقة أغادير في بلدية ورززات، ويتواجد أيضا في أكثر المناطق عرضة لأشعة الشمس في العالم، كمية قدرها 2635 كيلو وات لكل متر مربع في السنة الواحدة.
- يتم العمل حاليا على تطوير مجمع ورززات سعته 500 ميغاواط ليصبح متنزها شمسيا، وسيتضمن هذا المتنزه عددا من المحطات الشمسية بتقنيات متنوعة.
- سعة أول محطة في هذا المجمع تصل إلى 160 ميغاواط، وفي فترات الذروة المسائية، يستخدم ثلاث ساعات من تخزين الطاقة الحرارية لتوفير الطاقة.
- ستعتمد شركة نور الثانية على تقنية المعالجة المركزية، وستكون سعتها 200 ميغاواط، وستوفر سبع ساعات من التخزين.
- يعد مشروع نور الثالث مشروعا عالميا وصديقا للبيئة، وتصل طاقته إلى 150 ميغاواط.
- سيتم تنفيذ المشروع الثالث في مجمع ورززات الشمسية وفقا للتطورات المخططة.
- تغطي مشاريع نور الثلاثة مساحة 2500 هكتار، وستبدأ شركة نور الثانية والثالثة توصيل الكهرباء إلى الشبكة في عام 2018.
مشروع سد لونغ يانغ شيا للطاقة الشمسية
- تعتمد هذه الحديقة الشمسية على مساحة تبلغ 25 كيلومترا مربعا وتضم أربعة ملايين لوحة شمسية.
- في فبراير 2017، أصبحت هذه الحديقة واحدة من أكبر المزارع الشمسية في العالم، نظرا لحجمها الهائل وطاقتها التي تصل إلى 850 ميغاواط.
- مشروع الحديقة الشمسية يقع في مقاطعة تشينغهاي الصينية.
- تنتج هذه الحديقة 220 ساعة كهرباء سنويا، ويمكن استخدامها لتغطية احتياجات 200 ألف منزل.
الخلاصة
- تم استخدام مبدأ عمل الخلايا الشمسية منذ عقود، وهذا هو السبب وراء انتشار هذه التكنولوجيا في الفترة الأخيرة.
- تم تخفيض سعر التصنيع بسبب تحقيق الشركات كفاءة تحويل عالية.
- تنتج الخلايا الشمسية الطاقة الكهربائية بأسعار تنافسية مقارنة بالطرق التقليدية لتوليد الكهرباء.
نرشح لك أيضا: أسعار الخلايا الشمسية وأنواعها
في نهاية مقالنا حول مبدأ عمل الخلايا الشمسية، نرجو من الله – عز وجل – أن يكون هذا المقال قد نال إعجابكم وأننا تمكنا من إفادتكم، ونرجو منكم مشاركة المقال حتى النهاية ليعم النفع والفائدة على الجميع.
