استمدّت ظاهرة الخلايا الكهروضوئية ( PV) اسمها من عملية تحويل الضوء (الفوتونات) إلى الكهرباء (الجهد)، والتي تسمّى التأثير الكهروضوئيّ وكان ذلك لأول مرة في عام 1954، حيث ابتكر العلماء في مختبرات بيل خلية شمسية عاملة مصنوعة من السيليكون تولد تيارًا كهربائيًا عند تعرّضها لأشعة الشمس.
ثم سرعان ما تم استخدام الخلايا الشمسية لتشغيل الأقمار الصناعية الفضائية والأشياء الأصغر حجماً مثل الآلات الحاسبة والساعات. واليوم، أصبحت الكهرباء من الخلايا الشمسية منافسةً من حيث التكلفة في العديد من المناطق، ويتمّ نشر الأنظمة الكهروضوئية على نطاقات كبيرة للمساعدة في تشغيل الشبكة الكهربائية.
يناقش المقال الطاقة الكهروضوئية في دليلٍ شاملٍ يُغطّي تاريخ اكتشافها وأنواعها ومكوّناتها، ويُسلّط الضوء على أهم استخداماتها، ويقدّم لك المعرفة التي تحتاجها في فهم هذا الموضوع الذي يتّجه إليه العالم في الوقت الحاضر فالمستقبل له.
معلومات حول الطاقة الشمسية الكهروضوئية
تعريف الطاقة الشمسية الكهروضوئية
هي الطاقة التي تستخدم الأشعة الشمسية لتحويلها إلى طاقة كهربائية باستخدام ألواح أشباه المواصلات، وتعدّ المصدرَ الأكثر تطوراً للطاقة الشمسية في وقتنا الحاضر.
تعريف التأثير الكهروضوئي
التأثير الكهروضوئي هو عملية توليد الجهد أو التيار الكهربائي في الخلية الكهروضوئية عندما تتعرض لأشعة الشمس. تتكوّن هذه الخلايا الشمسية من نوعين مختلفين من أشباه الموصلات – نوع p ونوع n – يتمّ ربطُهما معاَ لإنشاء تقاطع p-n. من خلال الانضمام إلى هذين النوعين من أشباه الموصِلات، ليتشكلَ مجال كهربائي في منطقة التقاطع حيث تنتقل الإلكترونات إلى الجانب p الموجب وتتحرك الثقوب إلى الجانب n السالب.
يتسبّب هذا المجال الكهربائي في تحرُّك الجسيمات سالبة الشحنة في اتجاه واحد، والجسيمات موجبة الشحنة في الاتجاه الآخر. يتكون الضوء من فوتونات، وهي مجرد حزم صغيرة من الإشعاع الكهرومغناطيسي أو الطاقة. عندما يسقط الضوء بطول مَوجيٍّ مناسبٍ على هذه الخلايا، تُنقل الطاقة من الفوتون إلى إلكترون المادة شبه الموصِلة، مما يتسبّب في قفزها إلى حالة طاقة أعلى تُعرف باسم نطاق التوصيل. في حالتها المثارة في نطاق التوصيل، تكون هذه الإلكترونات حرة في التحرك عبر المادة، وينتج عن هذه الحركة للإلكترون تيارٌ كهربائيٌ في الخلية.
بمعنى آخر، التأثير الضوئي هو ظاهرة تتحرّر فيها الجزيئات المشحونة كهربائياً من أو في داخل الجسم، عندما يمتصّ الإشعاع الكهرومغناطيسي، ويمكن وصفه بأنه عملية طردِ الإلكترونات من الجسم المعدنيّ عند سقوط الضوء عليه.
تطبيقات التأثير الكهروضوئي
يُستفاد من طاقة الضوء في تفكيك الإلكترونات الموجودة داخل جسم معدني صُلب من خلال حصول عملية تصادم بين
الفوتون -الجسيم الضوئي- والإلكترون يؤدي إلى تحرر الإلكترون، ويُستفاد من هذه القدرة في العديد من التطبيقات منها:
- الخلية الكهروضوئية التي تحوّل الطاقة الضوئية الساقطة عليها في صورة فوتونات إلى طاقة كهربائية في صورة تيار كهربائي.
- التصوير الفوتوغرافي يستخدم التأثير الضوئي في أنابيب الكاميرات التلفزيونية، أو مكثفات الصور، حيث تتحوّل الفوتونات المتحررة إلى صور.
- تحليل المواد الكيماوية.
- العمليات النووية.
- التصوير السينمائي لإعادة إنتاج الصوت.
- تشغيل وإيقاف أضواء الشوارع بشكل تلقائيّ.
- البثّ التلفزيونيّ.
- الأنابيب الضوئية من خلال تحويل شدة الضوء إلى تيارات كهربائية.
تاريخ الطاقة الشمسية الكهروضوئية وكيفية اكتشافها
قبل الحديث عن الطاقة الكهروضوئية الشمسية، يجدر الإشارة إلى تاريخ الطاقة الشمسية التي بدأ استخدامها في القرن الثالث عشر قبل الميلاد من خلال عدسات مكبّرة، لتركيز الإشعاع الشمسي وإشعال النار، وفي القرن الثالث قبل الميلاد حيث استخدمها الرومان واليونانيون لإشعال المشاعل في الطقوس الدينية عن طريق المرايا، وكانت الغرف الشمسية أحد أقدم استخدامات الطاقة الشمسية التي يكون السقف فيها عبارة عن مجموعة نوافذ، تُركّز الإشعاع الشمسي باتجاه منطقة واحدة وصولاً إلى تطوّر الألواح الكهروضوئية،
حيث يعود تاريخ صناعة الخلايا الكهروضوئية إلى العالم الفرنسي إدموند بيكيريل، حيث لاحظ قدرة بعض المواد على إنتاج الطاقة عند تسليط الضوء عليها، ثم في عام 1873 اكتشف العالم ويلوغبي سميث أنّ عنصر السيلينيوم يتمتع بقدرة توصيل كهروضوئية، وانتهى باكتشاف قدرة السيلينيوم على توليد الكهرباء عند تعرضّه لأشعة الشمس في عام 1867، ويعود صنع أول خلية كهروضوئية إلى تشارلز فرنيز عام 1883 .
لم تُستخدم الخلايا الكهروضوئية في تكنولوجيا الأقمار الصناعية حتى الستينات، وبدأت الألواح الشمسية المكوّنة من وحدات الخلايا الضوئية في الوصول إلى أسطح المنازل في نهاية الثمانينات.
أنظمة الطاقة الكهروضوئية
- نظام طاقة كهروضوئي مرتبط بالشبكة: مزوّدٌ ببطارية خارجية، ويُعرَف هذا النوع أيضا باسم نظام الشبكة الهجين، ويعدّ الخيار المثالي للعملاء المتصلين بالشبكة والراغبين بالحصول على بطارية مشحونة وقت الأزمات كالعملاء المعرضين لانقطاع التيار في مناطقهم حيث توفّر هذه الأنظمة الطاقة في أثناء فترات الانقطاع، كما يمكن تخزينها لاستخدامها في حالات الطوارئ.
ولكن من سلبياتها أنها أكثر كلفة ًمن الأنظمة الأساسية المرتبطة بالشبكة وأقل كفاءة منها، وتحتاج إلى مكوّنات إضافية باستخدام البطارية يتطلب وحدة تحكُّم في الشحن لحمايتها، ولوحة فرعية تتضمن الأحمال المطلوب دعمها.
- نظام طاقة كهروضوئي خارج الشبكة: يعدّ هذا النوع خياراً مثالياً لمن لا يستطيع الاتصال بالشبكة بسهولة بسبب موقعه الجغرافي أو التكلفة المرتفعة لجلب إمدادات الطاقة، وتتمثل فوائد نظام خارج الشبكة في أن المستفيدين منه يصبحون مكتفين ذاتياً من الطاقة، وقادرين على تشغيل الأماكن البعيدة عن الشبكة، وتبقى تكاليف الطاقة ثابتة مهما كان معدل الاستهلاك من الطاقة، والأهم من ذلك أنها معيارية بمعنى يمكن للمستفيد زيادة السعة الطاقية مع نمو الاحتياج من الطاقة.
يعني ذلك، أنه بإمكانك البدء بنظام صغير متصل بالشبكة ثم توسيعه مع الوقت، وبما أنه مصدر الطاقة الوحيد، فالعديد من الأنظمة خارج الشبكة تحتوي على مصادر شحن متعددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والموّلدات، ولذلك عليك أن تأخذ بالحسبان الطقس والظروف المناخية على مدار العام عند تصميم النظام. في المقابل يُعاب على هذا النوع أنه يحتاج أيضاً إلى مكونات إضافية ما يجعله أعلى تكلفة من النظام القياسي المرتبط بالشبكة.
- نظام متصل بالشبكة يعدّ هذا النوع الأكثر شيوعاً ويلجأ إليه العملاء؛ بهدف توفير الاستهلاك الطاقية لديهم، حيث يمكن ربط المنظومة الكهروضوئية مباشرة بالشبكة دون أي نظام تخزين، ويُسمى نظام الكهروضوئية التفاعلية أو نظام الكهروضوئية المربوطة بالشبكة.
- أنظمة كهروضوئية مستقلة: تعمل جميع النظم المستقلة دون شبكة مرافقة، وتقسم إلى ثلاثة أنواع:
- نظام الكهروضوئية المقترن المباشر يوجد تطابق مثالي بين العرض والطلب، تطابقٌ بين حجم النظام ومتطلبات الحمل، وفي هذه الحالة لا يكون هنالك حاجة إلى نظام تخزين أو أي مكونات إضافية إلا بالحد الأدنى.
- نظام التخزين المستقلّ في حال كان هنالك فائض في الطاقة لا يحتاجها الحمل لاستخدامها في وقت لاحق وفي حالات غياب الشمس.
- نظام كهروضوئي هجين يستخدم مصادر طاقة إضافية مثل: توربينات الرياح والتوربينات النائية ومولدات الديزل بالتوازي مع منظومة الطاقة الكهروضوئية لرفع الأحمال. يسمح هذا النوع من الأنظمة استخدام البطاريات لتخزين الطاقة.
إيجابيات وسلبيات أنظمة الطاقة الكهروضوئية
إيجابيات الطاقة الكهروضوئية
- تعمل أنظمة الطاقة الكهروضوئية على مدار العام.
- تحقق الاستقلال الطاقة.
- لا تحتاج إلى عمليات صيانة معقدة.
- تعدّ مصدراً طاقياً متجدداً صديقاً للبيئة.
- يقلل من فواتير الكهرباء.
سلبيات الطاقة الكهروضوئية
- يعتمد أداء النظام على التعرض الشمسي.
- يحتاج إلى تجهيز منطقة خاصة للعمل.
- تعتمد الأرباح على التشريعات القانونية.
الخلايا الشمسية الكهروضوئية
تعريف الخلية الكهروضوئية
الخلية الكهروضوئية (PV) هي تقنية تحول الطاقة الشمسية إلى كهرباء مفيدة من خلال عملية تسمى التأثير الكهروضوئي، يوجد عدة أنواع مختلفة من الخلايا الكهروضوئية التي تستخدم جميعها أشباه الموصلات للتفاعل مع الفوتونات القادمة من الشمس من أجل توليد تيار كهربائيّ.
مكونات الخلية الشمسية الكهروضوئية
تتكوّن الخلية الكهروضوئية من طبقتين مصنوعتين من مادة شبه موصِلة إحداهما طبقة موجبة ، والطبقة الثانية طبقة سالبة تحمل الإلكترونات، ويغلبُ استخدام مادة السيليكون كمادة نصف ناقلة في الخلية الشمسية الذي يختلف في تركيب كلا الطبقتين من حيث الشوائب الموجودة فيه، فالطبقة السالبة مصنوعة من سيليكون بلوري فيه نسبة خفيفة من شوائب الفوسفور، وعدد كبير من الإلكترونات الحرة وهو السبب لتسميتها بالطبقة السالبة، أما الطبقة الموجبة فيكون السيليكون المستخدم فيها بنسبة قليلة من شوائب البورون وعدد قليل من الإلكترونات الحرة، وتعرف الإلكترونيات المفقودة بالثقوب.
كيفية عمل الخلايا الضوئية
يتمثل العمل الرئيسي للخلايا الكهروضوئية في تحويل طاقة الفوتون الموجودة في الأشعة الشمسية الساقطة على الخلية إلى طاقة كهربائية نتيجة تأثير الفعل الكهروضوئية.
وتتمّ هذه العملية وفق الخطوات التالية:
- تمتصّ الخلية الكهروضوئية فوتونات الضوء الساقط على الخلية الذي يفكك إلكترونات السيليكون، ويؤدي إلى تشكل الإلكترونات.
- تتدفق الإلكترونات بين طبقتي السيليكون المستخدمة في الخلايا الكهروضوئية التي تعالج بهدف إنشاء مجال كهربائي يسمح بتدفق الإلكترونيات الحرة في اتجاه واحد، ينتج عنه فرق في الجهد يؤدي إلى توليد تيار كهربائي.
- يتولد التيار الكهربائي، ويندمج مع خلايا شمسية أخرى تؤدي إلى تدفق التيار الكهربائي عبر أسلاك التوصيل.
أنواع الخلايا الكهروضوئية
توجد الخلايا الكهروضوئية في واحدة من الأنواع التالية:
- خلايا السيليكون الكهروضوئية أحادية البلورة ومتعددة البلورة: تتكون الخلايا الأحادية البلورة من بلورة سيليكون واحدة، يكون تدفق الإلكترونات المتولد بفعل التأثير الكهروضوئي مهمة سهلة، في المقابل الخلايا ذات البلورات المتعددة المصنوعة من إذابة شظايا بلورات السيليكون متعددة البلورات ما يزيد من صعوبة تدفّق التيار الكهربائي.
- الخلايا الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة تتميز بأنها خلايا رقيقة خفيفة الوزن، ولكنها تمتاز بالمتانة على الرغم من مرونتها، ويدخل في تصنيعها أربع مواد رئيسة هي: الكادميوم تيلورايد والسيليكون غير المتبلور وسيلينيد النحاس الإنديوم الفاليوم وأرسينيد الفاليوم، ولكن هذه الخلايا تفتقر إلى القدرة على إنتاج كمية كهرباء كافية للاستخدامات المنزلية والشركات.
- خلايا بيروفسكايت الضوئية هي مادة شبيهة بالسيليكون شبه ناقلة ذات تركيب بلوري شبيه بأكسيد التيتانيوم والكالسيوم.
استخدامات الخلايا الكهروضوئية
أصبح استخدام تكنولوجيا الطاقة الكهروضوئية حلاً بديلاً يُعتمد عليه في تطبيقات كثيرة نذكر بعضاً منها:
- أنظمة الطاقة المستقلة في المناطق الحضرية والريفية وحتى النائية.
- أنظمة الضخّ حيث تهدف إلى تغذية مرافق ضخ مياه الشرب والري وتغذية أنظمة تحلية المياه.
- الفضاء الخارجي حيث تشكّل هذه الخلايا مصدر طاقة أساسي للتطبيقات الفضائية مثل محطة الفضاء الدولية والمركبات الفضائية والأقمار الصناعية.
- مزارع الطاقة الشمسية تنتج الكهروضوئية كميات جيدة من الطاقة الكهربائية تُغذي الشبكات بشكل مباشر.
- الاتصالات الأرضية مثل محطات الاتصال والاستقبال.
- أجهزة الحماية والأمان.
- تُستخدم الطاقة الشمسية الكهروضوئية في أنظمة الإنذار والتحذير المدنية والعسكرية.
- استخدامات بحرية توفر الطاقة للإنارة والإرشادات الضوئية وأجهزة الرصد.
أسئلة شائعة حول الطاقة الكهروضوئية
الفرق بين الألواح الشمسية والألواح الشمسية الكهروضوئية
بينما تُثبّت الألواح الكهروضوئية من أجل تحويل الطاقة الحرارية إلى كهربائية، تُحوّل الألواح الضوئية الإشعاع الشمسي إلى حرارة، وهذا الاختلاف في الوظيفة ينتج عنه اختلاف في طريقة التصميم أيضاً.
تمتص الألواح الشمسية الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى لوح الامتصاص الذي ينقل الطاقة إلى الوسيط، وهو عبارة عن محلول مائي أو محلول جليكول يزوّد المبادل بالحرارة على شكل ماء ساخن.
والأهم من ذلك، أن الألواح الشمسية يقتصر عملها على وجود الشمس، ما يعني خسارات كبيرة في الحرارة في الأيام الباردة والغائمة، في حين أن الألواح الشمسية الكهروضوئية تمتاز بقدرتها على العمل على مدار العام.
وتختلف هذه الألواح بمبدأ العمل أيضاً، فينحصر استخدام الألواح الشمسية في إنتاج الماء الساخن لأغراض محلية، أما الألواح الكهروضوئية تُصنع من السيليكون الذي يمتص الطاقة الشمسية، ويحوّلها إلى كهرباء تُستخدم لتزويد جميع أنواع المنازل والمكاتب والأنظمة الصناعية والزراعية والمعدات الكهربائية بالكهرباء. تُحوّل الطاقة المتولدة من الألواح إلى المحوِّل Inverter الذي يحوّل التيار المباشر إلى تيار متناوب يصلح للاستخدامات المنزلية.
الفرق بين الخلايا الشمسية والخلايا الكهروضوئية
تختلف الخلايا الشمسية الكهروضوئية من حيث طريقة الاستخدام وآلية العمل، وهو ما سنتحدث عنه في هذه الفقرة.
الفرق من حيث التقنية وآلية العمل
يكمن الفرق الأساسي بين الخلية الشمسية والخلايا الكهروضوئية في أن الخلية الشمسية مصممة للعمل تحت تأثير ضوء الشمس، في حين يمكن للخلية الكهروضوئية توليد الكهرباء بالتعرض إلى أي مصدر ضوئي. من ناحية أخرى، تكون كمية الطاقة المتولدة من الخلايا الكهروضوئية محدودة، ما يستدعي توصيل عدة خلايا لإنشاء اللوح الشمسي، وكلما كانت الطاقة المراد إنتاجها أكبر زاد عدد الخلايا الشمسية المطلوب استخدامها.
كيفية استخدام الطاقة الكهروضوئية
تلتقط الألواح الكهروضوئية الشمسية ضوء الشمس، فتتحرر الإلكترونات الموجودة في خلايا السيليكون بلوحة الطاقة، ليتولد تيار كهربائي مباشر، ثم يحوله العاكس إلى تيار متناوب يُستخدم للاستخدام المنزلي والمؤسساتي.
حيث تحول الخلايا الكهروضوئية الإشعاع الشمسي بصورة مباشرة إلى تيار كهربائي مستمر، علماً أن هذه الخلايا تكون مصنوعة من مواد تقوم بعملية التحويل الكهروضوئية أشباه الموصلات مثل السيليكون أو الجرمانيوم.
الفرق بين ألواح الطاقة الشمسية وألواح الطاقة الكهروضوئية
يسود خلط كبير بين النوعين لأن كليهما يُثبّتان على سطوح المنازل ومستوى الأرض باستخدام تركيبات مصممة لهذا الغرض، ولأن كليهما يعملان على الطاقة الشمسية، ولكن يظلان مع ذلك شيئين مختلفين.
فالألواح الكهروضوئية تُثبت بهدف تحويل الطاقة الحرارية إلى كهربائية، بينما تحوّل الألواح الشمسية الإشعاع الشمسي إلى حرارة.
ختاماً، يزداد الاهتمام بالطاقات المتجددة بمختلف أنواعها لما تحمله من منافع وحلول للمشكلات التي نعاني منها اليوم، والطاقة الكهروضوئية أحد هذه الأشكال التي بدأ استخدامها على نطاق واسع، وكان هذا المقال محاولة للتعريف بهذه الطاقة، فهل سبق لك واستخدمتها؟ شاركنا معرفتك.
