تعتبر الخلايا الكهروضوئية من الوسائل الفعالة في توليد الطاقة، إذ تعمل على تحويل الإشعاع الشمسي إلى كهرباء. تعتمد هذه التقنية على أشباه الموصلات وتستخدم الألواح الشمسية التي تتكون من مجموعة من الخلايا الشمسية.
في هذا المقال، سنتناول بالتفصيل أهم استخدامات الخلايا الكهروضوئية وأنواعها. تابعونا على موقعنا للحصول على المزيد من المعلومات القيمة.
الخلايا الشمسية:
- الخلايا الشمسية، المعروفة أيضًا بالخلايا الكهروضوئية أو الضوئية، تعد من أبرز وسائل توليد الطاقة الكهربائية.
- تعمل الخلايا الكهروضوئية من خلال تحفيز فوتونات الضوء، مما يتيح قدرة على الانتقال من مستوى طاقة منخفض إلى مستوى طاقة مرتفع.
مكونات الخلايا الشمسية:
- تصنع الخلايا الشمسية من مجموعة متنوعة من المواد، بعضها نادر في الطبيعة.
- أحد المواد الأساسية هو السيلكون، الذي يتواجد بكثرة في البيئة.
- نجح العلماء في دراسة خصائصه ومميزاته بدقة عالية، بما في ذلك مدى ملائمة استخدامه في صناعة الخلايا الشمسية.
- بالإجمال، تتكون الخلايا الشمسية من مادة بلورية سميكة (السليكون البلوري) أو من مادة لابلورية (السليكون غير البلوري)، وأيضًا من مواد ترسبية تُستخدم كطبقات فوق الشرائح شبه الموصلات مثل أرسنيد الجاليوم.
- يتضمن تصميم الخلايا إطارًا من الألومنيوم، وبطارية سائلة، وفولتميتر، بالإضافة إلى أسلاك توصيل.
كيفية عمل الخلايا الشمسية:
- عند تعرض الخلية الشمسية لأشعة الشمس، تقوم الطبقة المضادة للانعكاس بالتقاط الضوء.
- عندما تتعرض الشريحة السالبة لأشعة الشمس، تنتقل طاقة الفوتونات إلى الإلكترونات في منطقة التكافؤ، مما يمكّنها من الانتقال إلى منطقة التوصيل في الشريحة السالبة.
- في الوقت ذاته، تنتقل الفجوات الموجبة إلى منطقة التوصيل في الشريحة الموجبة، مما ينشئ فرق جهد بين سطحي الوصلة الثنائية.
- يمكن ارتباط السطحين بواسطة موصل كهربائي، مما يوفر تياراً كهربائياً في الدائرة.
- تتحرك الإلكترونات من الوصلة السالبة إلى الوصلة الموجبة داخل الدائرة.
- عند فتح الدائرة الخارجية، تنتج الخلية شدة تيار قدره 0.07 أمبير، وفرق جهد يبلغ 0.6 فولت.
- وبذلك يتم توليد قدرة كهربائية تقدر بـ0.04 واط، حيث تمثل الخلايا المصفوفة على التوازي شدة التيار الكهربائي.
- يمكن لمتر مربع واحد من المصفوفة الواحدة توليد تيار قدره 4 أمبير بقدرة كهربائية تبلغ 48 واط، لذا يتطلب تشغيل مضخة 4 مصفوفات.
أهم استخدامات الخلايا الكهروضوئية وأنواعها:
- تتعدد استخدامات الخلايا الكهروضوئية، ومن أبرز هذه الاستخدامات:
- تستخدم في تجفيف الطعام والمواد الغذائية.
- تسهم في قطاع الإسكان.
- تستخدم في الزراعة.
- تعتمد عليها عمليات تقطير وتحلية المياه.
- تساعد في تدفئة البيئات وتقليل البرودة.
- تستخدم في صهر المواد.
- تم استخدامها قديمًا في طهي الطعام.
- تعمل على توليد الكهرباء لمختلف التطبيقات، مثل الألعاب الإلكترونية والأجهزة الحاسوبية.
- بعض الدول تستعملها في تشغيل إشارات المرور الضوئية.
- تتضمن أنواع الخلايا الشمسية: خلايا تعتمد على السيليكون أحادي التبلر بكفاءة 16%، وخلايا تعتمد على السيليكون عديد التبلر بكفاءة 13%، والخلايا المصرفية التي تترسب فيها طبقات السيلكون بكفاءة 3×6%.
توقعات مشرقة للطاقة الشمسية:
- تظهر التوقعات أن ألمانيا تنتج 32.4 غيغا واط من الخلايا الكهروضوئية، مما يجعلها من أبرز الدول المنتجة في هذا المجال، تليها إيطاليا وإسبانيا.
- تستمر الولايات المتحدة والصين واليابان وأستراليا في توسيع جهودها في إنتاج الطاقة الشمسية.
مشكلات استخدام الخلايا الشمسية:
- تسبب تراكم الغبار في تقليل كفاءة الأجهزة الشمسية، لذلك من المهم تنظيفها بشكل دوري للحفاظ على جودتها، بحيث لا تتجاوز الفترات الثلاثة أيام، حسب المنطقة وكمية الغبار.
- تواجه تقنية الطاقة الشمسية تحديات في تخزين الطاقة للاستخدام الليلي أو في الأيام الغائمة، حيث يعتمد المخزون على كمية الطاقة الشمسية المنتجة وطبيعة الاستخدام.
- قد تؤدي العوامل البيئية إلى تآكل وصدأ المجمعات الشمسية بسبب الأملاح الموجودة في المياه.
- على الرغم من هذه التحديات، تظل الخلايا الشمسية واحدة من أبرز التقنيات الحديثة لتحويل الطاقة الشمسية مباشرة إلى كهرباء، دون أي نفايات أو أضرار بيئية، مما يجعلها مصدر طاقة نظيف.
- يعمل العلماء على تطوير هذه التقنية للاستفادة منها عبر مختلف القطاعات، بما في ذلك الصحة والإسكان والتعليم والزراعة والصناعة.
