الخلايا الشمسية,Solar cells,كيفية عمل الخلايا الشمسية,الطاقة الشمسية الجزء الثانى

الخلايا الشمسية,الطاقة الشمسية,Solar cells,كيفية عمل الخلايا الشمسية الجزء الثانى

لقرائه الجزء الاول من هنا

فقدان الطاقة

لماذا لا تمتص الخلية الشمسية Solar cells أكثر من 15% من طاقة ضوء الشمس ؟
إن الضوء المرئي هو فقط جزء من المجال الكهرومغناطيسي وإن الطيف الكهرومغناطيسي ليس أحادي اللون إنما يتكون يتكون من أطوال موجية مختلفة ولذلك فإن الطاقة تكون على مستويات فتقوم النسبية الخاصة بعمل دراسة جيدة للطيف الكهرومغناطيسي ويمكن أن يجزء الضوء إلى أطوال موحبة مختلفة ونستطيع أن نراهم على شكل قوس قزح طالما أن الضوء الذي يضرب الخلية الشمسية لديه مدى واسع من طاقة الفوتونات ويظهر بأن البعض منهم ليس لديهم طاقة كافية لتشكيل فتحات إلكترونية مزدوجة وسيعبرون ببساطة عبر الخلية الشمسية كأنهم شفافون ولكن لازالت الفوتونات المتبقية لديها الكثير من الطاقة فقط كمية معينة من الطاقة قيست في فولطات الإلكترونات (EV) وحددت بمادة الخلية الشمسية Solar cells بحوالي (1.1 فولط إلكتروني EV-- للسيليكون البللوري) تتطلب لخسارة الإلكترونات وإننا ندعو هذا ربط فجوة طاقة المادة, إذا كان لدى الفوتونات طاقة أكثر من الكمية المطلوبة فإن الطاقة الزائدة ستفقد( مالم يكون يكون لدى الفوتونات طاقة ضعف الكمية المطلوبة ويمكن أن يحدث أكثر من زوج واحد من فتحة الإلكترون ولكن تأثيرها لن يكون بهذه الأهمية) وهذين التأثيرين يقومان بتفسير خسارة حوالي 70% من طاقة الإشعاع الذي يحدث في الخلية, لماذا لا نستطيع أن نختار مادة ذات ربط فجوة منخفض وبذلك نستطيع إستخدام أكثر من فوتون؟
ولكن لسوء الحظ إن ربط الفجوة يحدد قوة الجهد الكهربائي للحقل المغنطيسي وإذا كانت منخفضة جداً ماذا سنختلق عندها مع تيار زائد (بإمتصاص فوتونات أكثر) وسنفقد التيار بإمتلاك جهد كهربائي قليل وإن الجهد الكهربائي (القوة الفولطية) تؤقت تياراً, إن ربط الفجوة المثالي يوازن هذان التأثيران بحوالي (1.4 EV) لخلية صنعت من مادة وحيدة ولدينا أيضاً خسائر أخرى يجب على الإلكترونات أن تتدفق من جهة واحدة إلى جهة أخرى في الخلية من خلال دائرة خارجية, نستطيع تغطية القاع بالمعدن لكي نسمح بالإتصال الجيد ولكن إذا غطينا القمة بالكامل عندها لن تستطيع الفوتونات العبور بالموصل المعتم وعندها نخسر كل التيار (في بعض الخلايا الشمسية تستخدم الموصلات الشفافة على السقف العلوي وليس على الخلية كلها)
إذا وضعنا الموصلات فقط على جوانب الخلية الشمسية عندها يجب على الإلكترونات أن تجتاز مسافة طويلة جداً حتى تصل إلى الموصلات وتذكر بأن السيليكون شبه موصل وهو ليس ناقل جيد للتيار كالمعدن ومقاومته الداخلية(سلسلة المقاومة) عالية جداً والمقاومة العالية تعني خسائر عالية ولتقليل الخسائر غطيت الخلية الشمسية بشبكة إتصال معدنية التي تقوم بتقصير المسافة التي تجتازها الإلكترونات عندما تغطي جزء بسيط من سطح الخلية الشمسية ورغم ذلك فإن بعض الفوتونات مسدودة بالشبكة التي لايمكن أن تكون صغيرة جداً وإلا ستكون مقاومتها الخاصة عالية جداً.

إنهاء الخلية

إن هنالك بعض الخطوات قبل إستخدام الخلية الشمسية , إن السيليكون مادة مشعة جداً وهذا يعني بأنها عاكسة جداً والفوتونات العاكسة لا يمكن إستخدامها في الخلية الشمسية لذلك استعمل في قمة الخلية الشمسية طلاء غير عاكس لتحويل خسائر الإنعكاس لأقل من 5 % , أما الخطوط الاخيرة فهي صفيحة غطائية زجاجية تقوم بحماية الخلية الشمسية من العناصر.
إن وحدات الـ(PV) مكونة من خلايا موصلة (36 خلية عادة) بسلاسل متوازية للوصول إلى مستويات جيدة من الجهد الكهربائي (الفولطية) والتيار, ووضعوا في إطار متين يكتمل مع الغطاء الزجاجي والأطراف الموجبة والسالبة في الخلف.

إن مادة السيليكون المفردة ليست المادة الوحيدة التي تستخدم في خلايا الـ(PV) يستخدم السيليكون متعدد البللورات أيضاً في محاولة قطع خسائر الصناعة وبالرغم من أن نتائج الخلايا الشمسية ليست فعالة كالسيليكون الكريستالي المفرد, إن السيليكون الغير متبلور الذي ليس لديه تركيب بللوري يستخدم أيضاً في محاولة تخفيض تكاليف الإنتاج, استخدمت مواد أخرى مثل زرنيخد الغاليوم وانديوم نحاسي وتلوريد الغاليوم وبما أنها مواد لديها ربط فجوات مختلفة فإن التوافق سيتشكل بأطوال موجبة مختلفة أو ستكون الفوتونات ذات قوى مختلفة, وقد طورت طريقة واحدة فعالة لإستخدام طبقتين أو أكثر من المواد المختلفة مع فجوات ذات ربط مختلف, إن المادة ذات أعلى ربط فجوة تكون على السطح وتمتص فوتونات غنية بالطاقة بينما تسمح للفوتونات ذات الطاقة الأقل لأن تمتص من قبل المادة أقل قدرة على ربط الفجوة التي تقع في الأسفل وتسمى مثل هذه الخلايا بالخلايا متعددة الإتصالات ويمكن أن يكون لديها أكثر من حقل كهربائي. 

تزويـد المنزل بالطاقة

لدينا الآن وحدة الـ(PV) فماذا يمكن أن نفعل بها؟ 

ماذا يجب عليك أن تفعل لتزويد منزلك بالطاقة عن طريق الطاقة الشمسية ؟

على الرغم من أنها ليست ببساطة وضع وحدات فوق السطح ولكنها ليست بهذه الصعوبة أيضاً.

أولاً ليس كل سطح لديه الجهة الصحيحة أو زاوية إنحناء للإستفادة من طاقة الشمس, يجب أن توجه أنظمة (PV) غير تتبعية في نصف الكرة الأرضية الشمالي إلى الناحية الجنوبية الصحيحة ويجب أن يمالوا إلى زاوية تتساوى مع خط عرض المنطقة لتمتص الكمية القصوى من الطاقة طوال العام, إن التوجيه المختلف أو المعدل المختلف يمكن أن يستخدموا إذا أردت أن تزيد من إنتاج الطاقة في الصباح أو في العصر أو في الصيف أو في الشتاء, وبالطبع لا يجب أن تظلل الوحدات بالأشجار أو بالأبنية القريبة وهذا لا شأن له بوقت اليوم أو وقت السنة وفي وحدات (PV) حتى إذا كانت خلية واحدة من الـ(36) خلية مظللة فسيخفض ذلك إنتاج الكهرباء لأكثر من النصف.

إذا كان لديك بيت غير مظلل وسقفه يتجه جنوباً فيجب أن تقرر حجم النظام الذي ستحتاجه وإنه يعتمد أيضاً على الحقائق التي تقول بأن إنتاج كهربائك يعتمد على الطقس الذي يكون عادة غير متوقع وبأن الكهرباء لديك ستتفاوت أيضاً إن هذه الموانع من السهل جداً توضيحها حيث تعطي البيانات الأرصادية المعدل الشهري لمستويات ضوء الشمس لمناطق جغرافية مختلفة, ويؤخذ أيضاً بعين الإعتبار هطول المطر والأيام الغائمة بالإضافة إلى الرطوبة وعوامل دقيقة أخرى, لذلك يجب عليك أن تخطط من أجل أسوأ شهر لتحصل على كهرباء كافية طول السنة ومع تلك البيانات وبمعرفة معدل متطلبات بيتك (فواتيرك الشهرية ستعلمك بشكل ملائم عن كمية الطاقة التي تستهلكها كل شهر) بهذه الطرق البسيطة ستستطيع تقرير وحدةالـ(PV) التي ستحتاجها, ويجب أيضاً أن تقرر نوع نظام الجهد الكهربائي (الفولطية) التي يمكن أن تحددها بتقرير كمية الوحدات لتربطها بسلاسل. 

العقبات فى الخلايا الشمسية

ربما هناك مشكلتين يجب أن تجد لهما الحل, أولاً: ماذا سنفعل إذا لم تشرق الشمس؟ بالتأكيد لا أحد سيقبل بأن تكون لديه كهرباء فقط أثناء النهار وأيضاً في الأيام الصافية, في هذه الحالة نحن نحتاج إلى بطاريات مخزنة للكهرباء ولسوء الحظ فإن البطاريات تزيد الكثير من التكلفة والصيانة إلى نظام الـ(PV) ولكن على أي حال هي ضرورية إذا كنت تريد أن تكون مستقلاً بشكل كامل وهناك طريقة أيضاً حول المشكلة وهي بوصل بيتك إلى شبكة المؤسسة حيث ستقوم بشراء الطاقة عندما تحتاجها و تبيعها لهم عندما تنتج طاقة أكثر من ما تحتاج وبهذه الطريقة تكون المؤسسة مثل نظام تخزين عملي غير محدود ويجب أيضاً على المؤسسة أن تكون موافقة على ذلك, وفي أغلب الأحيان ستقوم المؤسسة بشراء الطاقة منك بسعر أقل بكثير من سعر بيعهم الخاص وأيضاً ستحتاج إلى أجهزة خاصة لتتأكد من أن الطاقة التي تبيعها للمؤسسة تتزامن مع طاقتهم وبأنها تشترك معها في نفس الشكل الموجي الجيبي ونفس التردد.

يجب على المؤسسة أن تتأكد بأن نظام الـ(PV) خاصتك لن يدخل الكهرباء بشكل خطوط عند انقطاع التيار الكهربائي فتعتقد بأن الأسلاك خالية من الكهرباء وهذا يسمى (العزل). إذا قررت إستخدام البطاريات يجب أن تبقي البطاريات دائماً وإذا أردت استبدالها ستكون العملية بعد بضعة سنوات.إن وحدات الـ(PV) يجب أن تبقى لـ(20) سنة أو أكثر والبطاريات في نظام الـ(PV) يمكن أن تكون خطيرة جداً بسبب الطاقة التي تخزنها, وبسبب محلول الكهرباء الحمضي الذي تحتويه لذلك ستحتاج إلى إحاطة غير معدنية ومعرضة للهواء بشكل جيد. 

البطاريات ذات المدار العميق للخلايا الشمسية

ما هو نوع البطاريات الذي يستعمل في أنظمة الـ(PV) ؟.

بالرغم من أن هناك أنواع مختلفة من البطاريات تستخدم عادةً ولكن هناك ميزة واحدة يجب أن تكون مشتركة بينهم كلهم وهي البطاريات ذات المدار العميق وهي ليست كبطارية السيارة التي تتميز بأنها ذات مدار سطحي, إن البطاريات ذات المدار العميق تستطيع أن تفرغ أكثر من طاقتها المخزونة وأيضاً لديها حياة طويلة أما بطارية السيارة تطلق تياراً كبيراً في وقت قصير ـ لكي تشغل السيارة ـ وثم تعيد الشحن فوراًعندما تسير السيارة.

إن بطاريات الـ(PV) يجب عليها أن تطلق تياراً أصغر في فترة أطول بشكل عام (مثلاً طوال الليل) بينما تقوم بالشحن خلال النهار, وإن بطاريات المدار الطويل الأكثر إستخداماً هي بطاريات حمض الرصاص وأيضاً بطاريات كاديوم نيكل, وبطاريات كاديوم نيكل أغلى ولكنها تبقى لمدة أطول ويمكن أن تفرغ طاقة بدون أذى وحتى بطاريات حمض الرصاص ذات المدار العميق لا تستطيع إفراغ 100% من الطاقة بدون إختصار حياة البطارية وبشكل عام إن أنظمة الـ(PV) صممت لإفراغ التيار عن طريق بطاريات حمض الرصاص وليس أكثرمن 40 أو 50 %.

يتطلب إستخدام البطاريات تركيب عنصر أساسي آخر يدعى المتحكم بالشحن, وستعيش البطاريات أكثر إذا تلقت العناية وذلك بعدم الإفراط بشحن البطارية أو عدم إفراغها كثيراً, وهنا يأتي عمل المتحكم بالشحن, عندما تشحن البطاريات بالكامل فإن المتحكم بالشحن لا يدع التيار في وحدات الـ(PV) يستمر بالتدفق إلى البطاريات وأيضاً عندما تفرغ البطاريات إلى مستوى قد حدد مسبقاً تحت سيطرة قياس الجهد الكهربائي (الفولطية) للبطارية فمغظم المتحكمين بالشحن لن يسمحوا بإفراغ المزيد من التيار من البطاريات حتى تشحن البطارية مرة أخرى, فجهاز التحكم بالشحن ضروري لضمان حياة البطارية الطويل. 

قلب التيار المباشر إلى تيار متناوب

إن المشكلة الأخرى هي إذا أردت إستخدام الكهرباء المولدة من وحدات الـ(PV) التي استخرجت من البطاريات وهو تيار مباشر بينما الكهرباء التي تؤمنها المؤسسة (والنوع الذي يستخدم في كل أدوات المنزل) هو تيار متناوب فأنت في هذه الحالة تحتاج إلى عاكسة وهي أدات تقوم بقلب التيار المباشر إلى تيار متناوب وإن أكثر العاكسات سيسمحون لك باسيطرة أوتوماتيكياً على كيفية عمل نظامك.

إن بعض وحدات الـ(PV) تسمى بوحدات التيار المتناوب لأنه قد بني عاكس لدى كل وحدة وهذا يزيل الحاجة إلى عاكسة مركزية كبيرة ويبسط عملية توزيع الأسلاك.

يجب أن تتبع التعليمات الكهربائية في الأجهزة المتزايدة وتوزيع الأسلاك وصناديق التوصيل ومعدات الأرضية والحماية في التيار وعدم اتصال التيار المباشر والتيار المتناوب وملحقات أخرى, وهي توصي إلى حد كبير بأن التركيب يجب أن ينفذ من قبل كهربائي ذو رخصة وأن يكون لديه خبرة في أنظمة الـ(PV), وعندما يركب النظام فإن متطابات الصيانة في نظام الـ(PV) قليلة جداً (خاصة إذا لم تستخدم أية بطارية) وستقوم بتزويدك بالكهرباء بشكل نظيف وبهدوء لمدة 20سنة أو أكثر.
ـ إذا كان الجهد الكهربائي (الفلطائية) الضوئي مصدر رائع للطاقة المجانية فلماذا لا يجري كل العالم باتجاه الطاقة الشمسية ؟.
إن بعض الناس لديهم مفهوم ضعيف عن الطاقة الشمسية ( صحيح أن ضوء الشمس مجاني ولكن الكهرباء التي ولدت بأنظمة الـ(PV) ليست كذلك) وكما رأيت من شرحنا حول نظام الـ(PV)البيتي فإنك تحتاج إلى القليل من الأدوات.
إن تركيب نظام الـ(PV) سيكلف حالياً 9 دولارات لكل واط بالغ الذروة, ولنعطيك فكرة عن قدر الكلفة في نظام البيت لنأخذ بعين الإعتبار البيت الشمسي وهو بيت سكني نموذجي في ريلاي ـ كارولينا الشمالية مع نظام الـ(PV) المركب من قبل مركز كالورينا الشمالية الشمسي North Carolina Solar Center) ) وذلك لإظهار تقنية نظام الطاقة الشمسية, بيت صغير جداً وقدر نظام الشمس فيه بـ 3.6 كيلو واط من نظام الـ(PV) ويغطي حوالي نصف كمية الكهرباء الكلية التي يحتاجها (هذا النظام ليس لديه بطاريات وهو موصول بشبكة) وبالرغم من أنه يكلف 9 دولارات لكل واط فإن هذا النظام المركب يكلف حوالي 32000 دولار, وهذا النظام لا يستطيع التنافس مع المؤسسات وكلما زادت البحوثات فإن الكلفة تنزل وإن الباحثون واثقون بأن كلفة نظام الـ(PV) سيكون فعال في المناطق الحضرية بالإضافة إلى المناطق البعيدة.
ويكمن جزء من المشكلة في أن التصنيع يحتاج لأن ينجز في مناطق واسعة لتخفيض الكلف قدر المستطاع وعلى أي حال هذه المطالب لن تلبى حتى تنزل الأسعار إلى المستويات التنافسية وإن فعالية الوحدة والطلب يرتفعان بشكل ثابت والأسعار تهبط, ويصبح العالم مدركاً بشكل متزايد للمخاوف البيئية التي ارتبطت بالمصادر الكهربائية التقليدية مما يجعل للخلايا الفلطائية الضوئية مستقبل لامع.

لمتابعة الجزء الاول من 

الخلايا الشمسية,كيفية عمل الخلايا الشمسية

مع تحيات

 عمرو حبيب