الطاقة الشمسية هي الطاقة التي يمكن الحصول عليها من الشمس التي يتم الحصول عليها باستمرار بشكل طبيعي في فترة زمنية قصيرة بدون إنقطاع أو فناء ، ولهذا السبب ، تعتبر مصدر من مصادر”الطاقة المتجددة” أو “الطاقة المستدامة”. للاستفادة من الطاقة الشمسية ، يتم استخدام مجموعة متنوعة من التقنيات لتحويل الطاقة الشمسية إلى حرارة أو كهرباء حسب الحاجة. ينطوي استخدام الطاقة الشمسية على مبدأ “الحفاظ على الطاقة و البيئة” لأنها طريقة لاستخدام مصدر الطاقة الذي يأتي من الطبيعة ويستخدمه بحكمة وفعالية أكبر. بهذه الطريقة تشمل الخلايا الشمسية ، والتي تم وصفها على النحو التالي:
ما هي الخلايا الشمسية؟
الخلايا الشمسية أو الخلايا الكهروضوئية (PV) عبارة عن جهاز يتكون من مواد شبه موصلة مثل السيليكون ، الزرنيخ، الغاليوم و تيلورايد الكادميوم، وغيرها التي تحول ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء. عندما تمتص الخلايا الشمسية ضوء الشمس ، يتم إنشاء إلكترونات و فجوات حرة عند التقاطعات الموجبة / السالبة. إذا كانت الوصلات الموجبة والسالبة للخلية الشمسية متصلة بالمعدات الكهربائية DC ، يتم إمدادها بالتيار لتشغيلها.
أنواع الخلايا الشمسية
هناك ثلاثة أنواع رئيسية من الخلايا المصنفة حسب تقنية التصنيع وأشباه الموصلات.
- خلايا تعتمد على السيلكون أحادي التبلر في صناعتها، وتبلغ كفاءة هذا النوع 16%
- خلايا تعتمد على السيلكون عديد التبلر، وتبلغ كفاءة هذا النوع من الخلايا 13%.
- خلايا سيليكون غير المتبلور أو خلية الخلايا المورفية: وفيها يتم ترسيب طبقات من عنصر السيليكون على الألواح الشمسية، وتبلغ كفاءة هذا النوع 3-6%، وأقل سعراً من النوعين السابقين.
الوحدة الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون المتبلور:
يتم استخدام نوعين من السيليكون البلوري (c-Si) لإنتاج الوحدة الكهروضوئية. السليكون البلوري المفرد أو المعروف بالسيليكون أحادي التبلور والسيليكون متعدد التبلور. تتميز الوحدة الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون متعدد البلورات بكفاءة تحويل أقل من الوحدة الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون أحادي التبلور ولكن كلاهما يتمتعان بكفاءة تحويل عالية تبلغ في المتوسط حوالي 10-12 ٪.
الوحدة الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون غير المتبلور:
الوحدة الكهروضوئية من السيليكون غير المتبلور (a-Si) أو الوحدة الكهروضوئية من السيليكون الرقيق تمتص الضوء بشكل أكثر فعالية من الوحدات الكهروضوئية الاخرى ، لذلك يمكن جعلها أرق. يناسب أي تطبيقات غير مطلوبة بكفاءة عالية ومنخفضة التكلفة مهمة. الكفاءة النموذجية للوحدة الكهروضوئية السليكونية غير المتبلورة هي حوالي 6 ٪.
الوحدة الكهروضوئية الهجينة Hybrid Silicon PV Module
مزيج من السيليكون أحادي التبلور محاط بطبقات رقيقة من السيليكون غير المتبلور يوفر حساسية ممتازة لمستويات الإضاءة المنخفضة أو الضوء غير المباشر. تتميز الوحدة الكهروضوئية الهجينة بمستوى عالي من كفاءة التحويل حوالي 17 ٪.
تركيبتها
أشباه الموصلات المستخدمة حاليًا لإنتاج الخلايا الشمسية هي السيليكون ، والتي تتمتع ببعض المزايا مثل: وفرتها في الطبيعة ، ولا تلوث ، ولا تضر بالبيئة ويمكن إذابتها بسهولة ، والتعامل معها وتشكيلها في شكل سيليكون أحادي البلورية ، إلخ.
كيفية عمل الخلايا الشمسية
عندما يضرب ضوء الشمس سطح الخلية الشمسية ، تخلق الخلية ناقلات للشحنة الاكترونات و الفجوات. يفصل المجال الداخلي الناتج عن الوصلة بعض الشحنات الموجبة (الفجوات) عن الشحنات السالبة (الإلكترونات). تنجرف الفجوات إلى طبقة موجبة أو طبقة p-layer وتلتف الإلكترونات إلى الطبقة السالية أو طبقة n-layer. عندما يتم تشغيل الدائرة الكهربائية، يجب أن تمر الإلكترونات الحرة عبر الحمل لإعادة الإرتباط مع الفجوات الموجبة؛ يمكن إنتاج التيار من الخلايا تحت الإضاءة.
يتم توصيل الخلايا الشمسية الفردية معًا لإنشاء وحدة (تسمى “الوحدة الشمسية” أو “الوحدة الكهروضوئية”) لزيادة التيار وترتبط الوحدات في صفيف (يسمى “الصفيف الشمسي” أو “الصفيف الكهروضوئي”). اعتمادًا على متطلبات التيار أو الجهد ، يتم توصيل الألواح الشمسية بطرق متنوعة:
إذا كانت المصفوفات الشمسية متصلة بالتوازي ، فسيزيد تيار الخرج.
إذا كانت المصفوفات الشمسية متصلة في سلسلة ، فسيزداد جهد الخرج.
منظومة الطاقة الشمسية
تنتج الخلايا الشمسية تيارًا مباشرًا (DC) ، لذلك يتم استخدامها فقط لمعدات التيار المستمر. إذا كانت هناك حاجة للتيار المتردد لمعدات التكييف أو الطاقة الاحتياطية ، فإن أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية تتطلب مكونات أخرى بالإضافة إلى وحدات الطاقة الشمسية. تم تصميم هذه المكونات خصيصًا للاندماج في نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية ، أي أنها منتجات طاقة متجددة أو منتجات الحفاظ على الطاقة وقد يتم تضمين واحد أو أكثر من المكونات اعتمادًا على نوع التطبيق. مكونات النظام الشمسي الكهروضوئي هي:
1. الخلية الشمسية هي المكون الأساسي لأي نظام طاقة شمسية. هي الوحدة المسؤلة عن تحويل ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء تيار مستمر.
2. ينظم جهاز التحكم بالشحن الجهد والتيار من المصفوفات الشمسية ، ويشحن البطارية ، ويمنع البطارية من الشحن الزائد ، كما يقوم بالتحكم في عمليات التفريغ.
3. تقوم البطارية بتخزين الكهرباء الحالية التي تنتج من المصفوفات الشمسية لاستخدامها عندما لا يكون هناك وجود لضوء الشمس مرئيًا أو في الليل أو في أغراض أخرى.
4. الانفرتر هو عنصر مهم في أي نظام طاقة شمسية الذي يحول خرج طاقة التيار المستمر للمصفوفات الشمسية إلى تيار متردد لتغذية الأجهزة التي تشتغل على التيار المتردد.
5. الحماية من الصواعق تمنع المعدات الكهربائية من الأضرار الناجمة عن البرق أو الحث لارتفاع الجهد العالي. وهي مطلوبة للأنظمة الشمسية كبيرة الحجم والحرجة ، والتي تشمل التأريض الفعال.
تطبيقات الخلايا
- المنزل: نظام الإضاءة الداخلية والخارجية ، والمعدات الكهربائية ، وفتحت البوابة الكهربائية ، ونظام الأمن ، والمروحة ، ومضخة المياه ، وفلتر المياه ، وضوء الطوارئ ، إلخ.
- نظم الإضاءة: إضاءة مواقف الحافلات ، إضاءة كشك الهاتف ، إضاءة اللوحة ، إضاءة موقف السيارات ، الإضاءة الداخلية والخارجية وإضاءة الشوارع ، إلخ.
- ضخ المياه: المرافق العامة ، أماكن سقي الماشية ، الزراعة ، البستنة والزراعة ، التعدين والري ، إلخ.
- نظام شحن البطارية: نظام طاقة الطوارئ ومركز شحن البطارية للقرية الريفية وإمدادات الطاقة للاستخدام المنزلي والإضاءة في المناطق النائية ، إلخ.
- الزراعة: ضخ المياه ، مبخر المنتجات الزراعية ، آلات السحق وبخاخ المياه ، إلخ.
ضخ مياه الأبقار ، ونظام تعبئة الأكسجين لتربية الأسماك وإضاءة الحشرات المحاصرة ، إلخ. - ثلاجة المركز الصحي وصندوق التبريد لحفظ الأدوية واللقاحات والمعدات الطبية ، إلخ.
- الاتصالات: المساعدة الملاحية الجوية ، وضوء التحذير الجوي ، والمنارة ، ومساعدة الملاحة منارة ، وعلامة الطريق المضيئة ، وعلامة عبور السكك الحديدية ، وإنارة الشوارع وهاتف الطوارئ ، إلخ.
محطة مكرر الميكروويف ، معدات الاتصالات ، معدات الاتصالات المحمولة (مثل راديو الاتصالات للخدمة والتمارين العسكرية) ومحطة مراقبة الطقس ، إلخ. - المناطق النائية: تل ، جزيرة ، غابة ومنطقة نائية لا تتوفر فيها شبكات المرافق ، إلخ.
- الفضاء: تغذية الاقمار الصناعية ومحطة الفضاء الدولية والمركبات الفضائية ، إلخ.
