محتويات
مفهوم الخلايا الشمسية
تعرف الخلية الشمسية بأنها الجهاز الذي يحول طاقة ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية بالاعتماد على مواد ذات خصائص محددة، وكانت الخلايا الشمسية في بداياتها تسمى البطارية الشمسية، إلا أن هذا المسمى لم يعد مستعملًا فيما بعد، وتسمى أيضًا الخلية الضوئية أو الكهروضوئية، وكانت فكرة استخدام الشمس كمصدر لإنتاج الطاقة الكهربائية بسبب أنها مصدر متجدد من مصادر الطاقة المتجددة، إضافةً إلى عدم التأثير سلبيًا في النظام البيئي الناتج من استخدامها، فهي مصدر نظيف صديق للبيئة، وتولدت هذه الفكرة نتاجًا لما خلفته المصادر النفطية والفحم الحجري من التلوث البيئي، وتأثيرها في المناخ الأرضي، كما أنها مصادر معرضة للفناء في أي لحظة، لذلك كان لا بد من التفكير بوسائل طبيعية أخرى كمصدر للطاقة، وكانت الخلايا الشمسية إحداها.[١]
مبدأ عمل الخلايا الشمسية
يعد مبدأ العمل في الخلايا الشمسية قائمًا على تحويل الطاقة الضوئية في الفوتونات وحدات الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية متولدة في الإلكترونات بعد اصطدام الفوتونات بها، ويحصل ذلك في الخلايا الشمسية من خلال ما يعرف بالخلايا الفولتية الضوئية، ويسمى أيضًا ضوء جهد الكهربائي، ويصنع هذا النوع من الخلايا من مواد شبه موصلة للكهرباء semiconductors، ومنها؛ مادة السيلكون التي تُستخرج من الرمل النقي، وهي أكثر المواد الحالية شيوعًا والمستخدمة في تكوين هذه الخلايا، وتضرب الفوتونات الإلكترونات السطحية لمادة السيلكون عند سقوط الأشعة الشمسية على جزء منها، وتكسبها طاقةً تمكنها من السير في خلايا لتوليد التيار الكهربائي، ويعد سير الإلكترونات في هذه الخلايا هو المسؤول عن تولد التيار الكهربائي، وتُنظم الخلايا بطريقة تسمح بحركة التيار الكهربائي المتولد في اتجاه معين يسمح بالاستفادة منه، وتوضع وصلات معدنية في أعلى وأسفل هذه الخلايا، ثم تُسحب لجعل هذا التيار مناسبًا للاستعمال الخارجي.[٢]
تصميم الخلايا الشمسية
يكون حجم معظم الخلايا الشمسية عبارة عن بضع سنتيمترات مربعة، ومحمية من البيئة الخارجية بطبقة رقيقة من الزجاج أو البلاستيك الشفاف، وتدمج الخلايا عادةً في التسلسل لزيادة الجهد أو بالتوازي مع زيادة التيار؛ لأن الخلية الشمسية النموذجية 10 سم × 10 سم تولد فقط حوالي 2 وات من الطاقة الكهربائية 15% - 20% من الطاقة على سطحها، وتتألف الوحدة الشمسية الضوئية من 36 خلية مترابطة، وتربطها بالزجاج ضمن إطار الألومنيوم، وقد تُربط وحدة أو أكثر من هذه الوحدات وتؤطر معًا لتشكيل لوحة شمسية، وتتسم الألواح الشمسية بقدر أقل من الكفاءة في تحويل الطاقة لكل مساحة سطحية مقارنةً بالخلايا الفردية؛ بسبب المناطق غير النشطة التي لا مفر منها في التجميع، فضلًا عن الاختلافات في الأداء فيما بين الخلايا، كما أن الجزء الخلفي من كل لوحة شمسية مجهز بمقابس موحدة، إذ يمكن الجمع بين إنتاجها والألواح الشمسية الأخرى لتشكيل مجموعة شمسية، وقد يتكون النظام الضوئي الكامل من العديد من الألواح الشمسية، ونظام طاقة لاستيعاب الأحمال الكهربائية المختلفة، ودارة خارجية، وبطاريات تخزين، إذ إن النظم الضوئية قابلة للتصنيف على نطاق واسع كونها أنظمة مستقلة أو متصلة بالشبكة.[٢]
مادة السيليكون في الخلايا الشمسية
تتركب ذرة السيلكون من 14 إلكترونًا، وتوزع على مدارات ثلاث، ويتسع المدار الأول فيها إلى إلكترونين، والمدار الثاني إلى 8 إلكترونات، وهما مداران مستقران، ويحتوي المدار الثالث على 4 إلكترونات، وهو مدار غير مستقر بحاجة إلى 4 إلكترونات إضافية لإكمال المدار، لذلك ترتبط ذرة السيلكون بذرة سيلكون أخرى برابطة تشاركية؛ للحفاظ على حالة الاستقرار لديها، وهو ما يشكل لدينا السيلكون البلوري، وهو مهم جدًا لعمل الخلية، إذ يمنع من وجود إلكترونات حرة لتساعد في تشكيل التيار الكهربائي من خلال الطاقة الشمسية، لذلك تُعدّل قليلًا لتناسب مبدأ عمل الخلايا الشمسية، ولحل هذه المشكلة تُخلط مادة السيلكون ببعض الشوائب مثل؛ ذرة الفسفور، إذ إنها تمتلك في مدارها الأخير الخارجي 5 إلكترونات؛ لذا فهي غير قادرة على الارتباط مع ذرات السيلكون المجاورة لها، ويوجد إلكترون واحد ليس لديه من يرتبط معه، ويتسبب سقوط أشعة الشمس في إفلات بعض الإلكترونات تاركةً خلفها فجوة، وتسمى هذه الإلكترونات النواقل الحرة في الخلية الشمسية، ويوجد ما يسمى السيلكون السلبي والسيلكون الإيجابي، الأول هو الذي ذُكر ويحتوي على الفسفور كشوائب، وأما الآخر فهو الذي يضاف إليه عنصر البورون الذي يحتوي على 3 إلكترونات في مداره الأخير، وبهذه الطريقة تُشكل حقلًا كهربائيًا يمكن من خلاله السماح للإلكترونات الحرة بالحركة بانتظام للسماح بتوليد تيار كهربائي يمكن الاستفادة منه.[١]
أكبر مشاريع الخلايا الشمسية
- مشروع نور للطاقة الشمسية: تعد محطة نور للطاقة الشمسية في المغرب أكبر مشروع محطة طاقة شمسية في العالم، ويقع في منطقة أغادير في بلدية ورزازات، ويوجد في أحد أكثر المناطق عرضةً لأشعة الشمس في العالم 2635 كيلووات/م٢ في السنة، ومن المقرر أن يتطور مجمع ورزازات إلى متنزه شمسي بسعة 500 ميغاواط، ويضم عدة محطات طاقة شمسية ذات نطاق خدماتي بتقنيات شمسية مختلفة، كما تعد أول محطة في هذا المجمع بسعة 160 ميغاواط، إذ تستخدم ثلاث ساعات من تخزين الطاقة الحرارية لتوفير الطاقة في أوقات الذروة المسائية، وستعتمد شركة نور الثانية على تقنية المعالجة المركزية (CSP) ذات سعة 200 ميغاواط و7 ساعات من التخزين التي ستطور، ويعد مشروع نور الثالث الذي تبلغ طاقته 150 ميغاواط مشروعًا عالميًا صديقًا للبيئة، وسيُطور كمشروع ثالث ضمن سلسلة من التطورات المخطط لها في مجمع ورزازات الشمسي، وتغطي المشاريع الثلاثة مساحة 2500 هكتار، وستبدأ شركتا نور 2 و3 في توصيل الكهرباء النظيفة إلى الشبكة في عام 2018 م.[٣]
- مشروع الحديقة الشمسية سد لونغ يانغ شيا: تتكون الحديقة الشمسية لسد لونغيانغشيا التي تمتد على مساحة أكثر من 25 كيلومتر مربع من 4 ملايين لوحة شمسية، كما أن حجم المحطة الهائل وطاقتها 850 ميجاوات جعلتها أكبر مزرعة شمسية في العالم في فبراير 2017 م، ويقع هذا المشروع الشمسى في مقاطعة تشينغهاي الصينية، وتولد الحديقة حوالي 220 وات/ساعة من الكهرباء سنويًا، وهو ما يعادل تشغيل 200 ألف منزل.[٤]
المراجع
- ^ أ ب "Solar cells", explainthatstuff, Retrieved 27-11-2019. Edited.
- ^ أ ب "Solar cell", britannica, Retrieved 27-11-2019. Edited.
- ↑ "Noor solar power in Morocco", ecohz, Retrieved 27-11-2019. Edited.
- ↑ "5 largest solar farms in the world", originenergy, Retrieved 27-11-2019. Edited.
