تعتبر الخلايا الكهروضوئية من الوسائل الأساسية لتوليد الطاقة، حيث تعتمد على تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة كهربائية.
تُستخدم هذه الخلايا بفضل خصائص أشباه الموصلات، وتُجمع في ألواح شمسية تحتوي على عدد من الخلايا. في هذا المقال، سنتناول الاستخدامات الرئيسية والخلايا الكهروضوئية وأنواعها، لذا تابعوا القراءة عبر موقعنا المتخصص.
ما هي الخلايا الشمسية؟
- تُعرف الخلايا الشمسية أيضًا باسم الخلايا الكهروضوئية أو الخلايا الضوئية.
- تُعتبر الخلايا الكهروضوئية واحدة من أكثر الطرق فعالية في توليد الطاقة الكهربائية.
- تعتمد الخلايا الكهروضوئية على تحفيز فوتونات الضوء، مما يُتيح للإلكترونات الانتقال من مستويات طاقة أقل إلى مستويات أعلى.
مكونات الخلايا الشمسية
- تُصنع الخلايا الشمسية من مجموعة من المواد، والتي تتواجد نادرًا.
- يُعتبر عنصر السيليكون هو العنصر الأساسي في صناعة هذه الخلايا، نظراً لوفرة هذا العنصر في الطبيعة.
- تمكن العلماء من دراسة خصائص السيليكون وتحليل ملاءمته للخلايا الشمسية.
- تتكون الخلايا الشمسية من مادة بلورية سميكة مصنوعة من السيليكون البلوري أو مادة غير بلورية دقيقة مثل السيليكون غير البلوري، فضلاً عن مواد مُترسبة على شكل طبقات فوق الشرائح شبه الموصلة، مثل أرسنيد الجاليوم.
- تتضمن مكونات الخلايا أيضًا إطارًا من الألومنيوم، وبطارية سائلة، وفولتميتر، وأسلاك توصيل.
كيف تعمل الخلايا الشمسية؟
- تعتمد آلية عمل الخلايا الشمسية على سقوط الأشعة الشمسية على الخلية، مما يُشغل طبقة مضادة للانعكاس لاحتجاز الضوء.
- عندما تتعرض الشريحة السالبة لأشعة الشمس، تنتقل طاقة الفوتونات إلى الإلكترونات في منطقة التكافؤ، مما يُمكنها من الانتقال إلى منطقة التوصيل في الشريحة السالبة.
- تُنتقل الفجوات الموجبة بدورها إلى منطقة التوصيل في الشريحة الموجبة، مما يُسبب فرق جهد بين الأوجه المختلفة.
- يمكن ربط السطحين بواسطة موصل كهربائي لتوليد تيار كهربائي في الدائرة.
- تمر الإلكترونات من الوصلة السالبة إلى الوصلة الموجبة، وعند فتح الدائرة الخارجية، تنتج الخلية شدة تيار تصل إلى 0.07 أمبير وفرق جهد يبلغ 0.6 فولت.
- وبذلك تنتج قدرة كهربائية قيمتها 0.04 واط، حيث تولد المصفوفة الواحدة من المكونات الكهربائية تيارًا بمقدار 4 أمبير وقدرة كهربائية تصل إلى 48 واط. وبالتالي، تحتاج المضخة إلى 4 مصفوفات لتعمل بكفاءة.
أهم استخدامات الخلايا الكهروضوئية وأنواعها
- تستخدم الخلايا الكهروضوئية في مجموعة متنوعة من المجالات، منها ما يلي:
- تجفيف الأطعمة والمنتجات الغذائية.
- استخدامها في قطاع السكن.
- تطبيقات في الزراعة.
- تقطير وتحلية المياه.
- تسخين الهواء وتدفئة البيئة.
- صهر المواد الصناعية.
- لطهي الأطعمة.
- توليد الطاقة لتشغيل الأجهزة مثل الألعاب الإلكترونية والساعات.
- تستخدم أيضًا في تشغيل إشارات المرور الضوئية في بعض الدول.
- توجد أنواع متعددة للخلايا الكهروضوئية مثل الخلايا المعتمدة على السيليكون أحادي التبلر مع كفاءة تبلغ 16%، والخلايا المعتمدة على السيليكون عديد التبلر بكفاءة 13%، بالإضافة إلى الخلايا المصرفية التي تتفاوت كفاءتها بين 3% إلى 6%.
توقعات مستقبل الطاقة الشمسية
- تشير التوقعات المستقبلية للطاقة الشمسية إلى أن ألمانيا تُعد من أبرز الدول في إنتاج الخلايا الكهروضوئية، حيث يصل إنتاجها إلى 32.4 غيغا واط.
- تتبعها دول مثل إيطاليا وإسبانيا، بينما تسعى الولايات المتحدة الأمريكية والصين واليابان وأستراليا لتوسيع إنتاجها من الطاقة الشمسية.
مشاكل استخدام الخلايا الشمسية
- من أبرز التحديات التي تواجه استخدام الخلايا الشمسية هو تراكم الغبار الذي يمكن أن يُقلل من كفاءة الأجهزة، مما يتطلب التنظيف المستمر.
- يُنصح بعدم تجاوز فترات التنظيف ثلاثة أيام، اعتمادًا على موقع الجهاز وكمية الغبار.
- تواجه الطاقة الشمسية مشكلة تخزين الطاقة، حيث يعتمد التخزين على كمية الإشعاع الشمسي ونوع الاستخدام المطلوب.
- تتعرض المجمعات الشمسية للتآكل أو الصدأ بسبب المواد الملحية الموجودة في المياه.
- ومع ذلك، تعتبر الخلايا الشمسية من أفضل التقنيات الحديثة لتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء مباشرة، دون إنتاج نفايات أو تداعيات بيئية.
- تتميز الطاقة الشمسية بأنها نظيفة وغير ملوثة، ويعمل العلماء على تطويرها لتعزيز استخدامها في قطاعات متنوعة مثل الصحة، الإسكان، التعليم، الزراعة، والصناعة.