الألواح الشمسية كوسيلة لتوليد الطاقة الكهربائية

الألواح الشمسية لتوليد الطاقة الكهربائية
تعمل الخلايا الشمسية على تحويل الطاقة الناتجة من أشعة الشمس إلى كهرباء، وذلك عبر استخدام مواد شبه موصلة مثل السيليكون، الذي يتم الحصول عليه من الرمال النقية. تُعتبر الطاقة الشمسية واحدة من المصادر المتجددة والنظيفة للطاقة.

استغلال الطاقة الشمسية في إنتاج الكهرباء

تعتبر عملية تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية سهلة من خلال تقنية التحويل الكهروضوئي.
وتمثل هذه العملية تحويل الإشعاع الشمسي مباشرة إلى طاقة كهربائية بواسطة الخلايا الشمسية.
تستند هذه العملية إلى بعض المواد الموجودة التي تسهل عملية التوصيل مثل السيليكون والجرمانيوم وغيرها.

ما هي الطاقة الكهربائية؟

تُعرف الكهرباء بأنها نوع من الطاقة الموجودة في الطبيعة، وتُعتبر من أهم وسائل نقل الطاقة المستخدمة في مجموعة متنوعة من التطبيقات.
تُستخرج الكهرباء من مصادر طبيعية مثل الصواعق أو الاحتكاك، ولكن هذه العمليات لا تُعتبر فعّالة اقتصاديًا.
يُمكن الحصول على الكهرباء كمصدر طاقة رئيسي من خلال الموارد الطبيعية المتاحة.
تشمل هذه المصادر الطاقة المائية، والرياح، والطاقة الشمسية، بالإضافة إلى المد والجزر والأمواج.

تعريف الطاقة الشمسية

تعتمد الطاقة الشمسية على الإشعاع الناتج من الشمس وهو متوفر في جميع الأماكن، ويدعم عملية البناء الضوئي.
- تستخدم هذه العملية من قِبل النبات لتكوين الغذاء، إلى جانب الفوائد الأخرى للبشر مثل التدفئة، وتسخين المياه، وتجفيف الطعام، وتوليد الكهرباء.
تأتي الطاقة الشمسية من الألواح الشمسية، التي تُشبه المرايا ولها أشكال وأحجام متنوعة.
- تعمل الألواح على امتصاص أشعة الشمس وتحويلها إلى طاقة كهربائية بفضل المواد المصنوعة منها.

آلية عمل الألواح الشمسية

تقوم الألواح الشمسية بتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء باستخدام مجموعة من الخلايا الشمسية.
- يتم تثبيت الألواح بعناية على أسطح المباني وأعمدة الإنارة في الشوارع، لضمان استلام أكبر كمية من أشعة الشمس وتعزيز الطاقة المستخرجة.
تُعتبر الألواح الشمسية من الطرق الفعّالة للحفاظ على البيئة، حيث أنها لا تتسبب في أي ضرر للأرض.
- يعتمد تحول ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية على التركيبات الإلكترونية المعروفة بالخلايا الشمسية، وهي أجهزة تُنتج تيارًا كهربائيًا.

أنواع الخلايا الشمسية

تأتي الخلايا الشمسية عبر عدة أنواع استنادًا إلى المواد المستخدمة في تصنيعها وكفاءتها، وتتمثل الأنواع الرئيسية في:

الخلايا السيليكونية وتحقق كفاءة تتراوح بين 22% من الكفاءة النظرية.

الخلايا ذات الأغشية الرقيقة، التي تصل كفاءتها إلى حوالي 18%، ويعتبرها البعض خيارًا مفضلًا نظرًا لتكلفتها المنخفضة وسهولة تصنيعها.

الخلايا الشمسية متعددة الوصل، المصنوعة غالبًا من مادة كاليوم أسانيد، والتي قد تكون ذات اتصالين أو ثلاثة، وتحقق كفاءة تصل إلى 35% رغم تكلفتها العالية وصعوبة تصنيعها.

كفاءة الخلايا الشمسية

تُعرَّف كفاءة الخلايا الشمسية على أنها النسبة بين الطاقة الخارجة من الخلية والطاقة الداخلة إليها، التي تمثل أشعة الشمس.
- حيث تختلف كمية الفولت الناتج من خلية إلى أخرى بناءً على مساحتها السطحية.
يزداد التيار الكهربائي كلما زادت المساحة السطحية للخلية، لكن زيادة الحجم بشكل مفرط قد تؤدي إلى ارتفاع المقاومة وتقليل الكفاءة.
تم تصميم خلايا بأبعاد مختلفة للحصول على تيار يتراوح بين 2.5 و 3.5 أمبير للخلية الواحدة.
- يمكن ربط الخلايا الشمسية بشكل متوازي أو متسلسل لتشكيل وحدات لتوليد الطاقة الكهربائية.
- عند إضافة خلايا بشكل متوازي أو تسلسلي، يمكن الحصول على الكمية المطلوبة من الطاقة.

تطوير تقنية الخلايا الشمسية

يسعى المطورون لجعل تكنولوجيا تصنيع خلايا الطاقة الشمسية أقل تكلفة وأعلى كفاءة.
تخطط الابتكارات لتطوير تصاميم معمارية وهندسية جديدة.
بدلاً من ذلك، يتم تطوير وتحسين المواد الإلكترونية لتحقيق قدرة أكبر على امتصاص الطاقة الشمسية وإنتاج شحنات أكبر.
يجري تحسين التصاميم الإلكترونية للمواد المتاحة حاليًا وظروف تصنيعها.
تتميز الطاقة الشمسية بفوائد عدة تشمل كونها مصدرًا متجددًا وبيئيًا ونظيفًا.
- بهذه التقنية المعروفة، من السهل تطويرها، ويوفر استخدامها فرص عمل عديدة.
تساهم الطاقة الشمسية بشكل كبير في تلبية احتياجات العالم العربي من الطاقة والموارد دائماً.
- على الرغم من الحاجة في البداية لرأس المال، إلا أنها تستفيد من المواد المتوافرة بشكل طبيعي ولا تتطلب صيانة مستمرة.

تاريخ تطور تكنولوجيا الطاقة الشمسية

استفاد الإنسان من الطاقة الشمسية على مر العصور في العديد من التطبيقات.
- منذ العصور القديمة، كان هناك محاولات للاستفادة من الطاقة الشمسية، لكن ضمن نطاق محدود.
- تطورت الأساليب التكنولوجية اليوم، مما أتاح استغلال الطاقة الشمسية بشكل أوسع.
تم استخدام الطاقة الشمسية في السابق لإشعال السفن الحربية، بالإضافة إلى تدفئة المنازل ورعاية المحاصيل.
- كما استفادت منها العمليات مثل صهر المواد وطهي الطعام وتوليد بخار الماء وتقطير المياه.
تمكن العلماء من تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية وكهربائية من خلال استخدام الخلايا الشمسية.
- تمكنوا من معرفة كيفية تحويل الإشعاع الشمسي إلى كهرباء عبر التحويل الكهروضوئي.
اكتشف العلماء في القرن التاسع عشر الميلادي كيفية تحرير الإلكترونات بواسطة الضوء من بعض المعادن.
كما أجروا دراسات لتخزين الطاقة الناتجة واستغلالها في الاستخدامات المتنوعة.

يمكن تخزين الطاقة خلال فترات عدم وجود الشمس عبر التخزين الحراري أو الكهربائي أو الكيميائي أو المغناطيسي.

تُعد هذه الأبحاث من الوسائل الأساسية لتطوير تطبيقات الطاقة الشمسية، وقد ظهرت أيضًا أنواع متعددة من محطات توليد الكهرباء، مثل:

محطات توليد الطاقة البخارية، النووية، الشمسية، والمولدة من الرياح وغيرها.

كيفية عمل الخلايا الشمسية

تُعتبر الطاقة الشمسية مصدرًا رئيسيًا للعديد من الطاقات في الطبيعة، وهي طاقة متجددة لا تنضب.
- تشمل مصادر الطاقة المتجددة الأخرى، وقد تم استخدامها منذ آلاف السنين.
- تُستخدم في تسخين المياه وتجفيف المحاصيل لحفظها.
- في العصر الحديث، تُجرى الأبحاث والتجارب لاستغلال الطاقة الشمسية في إنتاج الكهرباء وتسخين المياه وصهر المعادن.
مع ارتفاع أسعار الوقود وزيادة استهلاك الطاقة، تصبح الطاقة الشمسية من المصادر المرشحة للبدء في تعويض البترول.
- تعمل الدول المشمسة على إنتاج الكهرباء من خلايا الفوتوفولتيك والتي تقوم بتحويل أشعة الشمس إلى كهرباء.
تتضمن الطاقة الحرارية الشمسية تكنولوجيا جديدة تعمل على تحويل أشعة الشمس إلى كهرباء، ومنها ما يتم استخدامه في مزارع الرياح بالبحار الأوروبية.
تتكون الخلايا الشمسية من طبقتين من المواد شبه الموصلة التي تبدأ بالعمل عند تعرضها لأشعة الضوء.
- يتم امتصاص جزء من الضوء بواسطة ذرات السيليكون، مما يعني أن طاقة الضوء قد تم استغلالها.
تعمل الطاقة الناتجة على تحفيز الإلكترونات غير المرتبطة، مما يجعلها تتحرك بحرية في المادة، وعندما تتعرض لمجال كهربائي، تتحرك جميعها في اتجاه واحد، مما يتسبب في تكون تيار كهربائي.
بربط الطرفين العلوي والسفلي للخلية يمكن الحصول على تيار كهربائي طالما استمرت أشعة الشمس في السقوط على الخلية.