ما هي مكونات الخلية الشمسية

مكونات الخلية الشمسية

تُصنع الخلايا الشمسية من مواد مختلفة، ويجدر بالذكر أن جميع هذه المواد نادرة الوجود في الطبيعة، وفي الوقت الحالي تم التركيز على استخدام مادة السيليكون في صناعة الخلايا الشمسية، لأن هذا العنصر متاح بكميات كبيرة في الطبيعة. وقبل استخدامه في صناعة الخلايا الشمسية، قام العلماء بدراسة مزاياه وعيوبه بشكل دقيق لتحديد مدى ملائمته لهذا الاستخدام وإمكانية تحقيق النتائج المطلوبة.

تتكون الخلايا الشمسية بشكل عام من مادة بلورية سميكة مثل السيليكون البلوري، أو من مادة رقيقة غير بلورية مثل السيليكون اللا بلوري، أو من مادة مترسبة على شكل طبقات فوق بعضها، أو بالمعروف بشرائح شبه موصلة مثل أرسينيد الجاليوم. وتحتوي الخلايا الشمسية على إطار من الألومنيوم وأسلاك توصيل وبطارية وفولتميتر. وفيما يلي سنعرض تفاصيل المكونات:

الألواح

تمثل الألواح الخارجية للخلية الشمسية، ويمكن ترتيبها بشكل صفوف على الأسطح أو الأعمدة أو مباشرة على الأرض، ويجب تثبيتها بشكل جيد في أي مكان يتم وضعها فيه عن طريق استخدام الحوامل الخاصة بها، ويتم تحديد زاوية تثبيتها بحيث تتناسب مع اتجاه أشعة الشمس لتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء.

البطارية

تنتج الخلية الشمسية الطاقة من خلال الاستفادة من أشعة الشمس الساطعة في النهار، ويتطلب ذلك وجود مخزن لتخزين الطاقة التي تنتجها هذه العملية لاستخدامها في الليل، وهذا المخزن هو البطارية، حيث يتم تخزين الطاقة التي تنتجها أشعة الشمس للاستفادة منها في الظلام أو في الأيام الغائمة التي لا توجد بها شمس.

العاكس

تنتج الخلايا الشمسية طاقة مستمرة تسمى تيار مستمر DC، ومع ذلك يتم استخدام تيار متردد AC في المنازل، لذلك يجب توفير عاكس لتحويل التيار المستمر إلى تيار متردد يمكن استخدامه في المنازل والأجهزة المنزلية.

جهاز التحكم في الشحن

هذا الجهاز موجود في أي خلية شمسية، حيث يعمل على تنظيم كمية التيار الذي يتم تغذية الألواح الضوئية في البطاريات التي يتم شحنها، ويتمثل دوره الأساسي في منع الشحن الزائد عن قدرة البطاريات، كما أنه يعمل على منع تسرب التيار من البطارية إلى المجموعة الضوئية في الليل أو عند غياب الشمس.

السيليكون

يتم معالجة السيليكون قبل استخدامه، حيث يتم استخراجه من مناجم السيليكا التي تتواجد عادة في المناطق التي يكون فيها الكوارتز عالي التركيز. يتم تلميع السيليكا حتى تصل إلى الخصائص المعدنية المطلوبة في فرن القوس الكهربائي. ومع ذلك، تبقى الخلية كهروضوئية، مما يزيد من كمية الطاقة التي تخرج من الخلية ويجعلها طاقة نقية. يكون السيليكون النقي بلورياً، ويعد البنية الأساسية في الخلايا الكهروضوئية.

الخلايا الشمسية

الخلية الشمسية، أو الخلية الضوئية أو الخلية الكهروضوئية، هي جهاز إلكتروني يعمل كمحول فولت ضوئي، وتتكون من مواد تتمتع بعدد من الخصائص والقدرات التي تمكنها من امتصاص الفوتونات التي تتساقط عليها من أشعة الشمس، أو ما يسمى بالطاقة الشمسية، وتحويلها مباشرة إلى تيار كهربائي مستمر عن طريق استغلال التأثير الجهدي الضوئي.

يتألف تركيب الخلية الشمسية من رقائق رفيعة من مادة السيليكون، حاملة شحنة موجبة من جهة وشحنة سالبة من الجهة الأخرى. عند سقوط أشعة الشمس أو بعض الفوتونات الضوئية التي تحمل طاقة على هذه الرقائق، تعطي الإلكترونات طاقة تجعلها تهتز حرارياً، وتتمكن من كسر الروابط الكيميائية وتحرير الإلكترونات.

فكرة عمل الخلية الشمسية

عندما يتم تسليم الألواح الشمسية إلى أشعة الشمس، تعمل الطبقة الغير قابلة للانعكاس على التقاط الضوء بكفاءة عالية، حيث تتعرض طبقة تحمل الشحنة السالبة للفوتونات التي تنبعث من الشمس، وتنتقل هذه الفوتونات إلى الإلكترونات وتصبح قادرة على الحركة، وبالتالي تتحرك إلى الطبقة التي تحمل الشحنة الموجبة في منطقة التوصيل.

يتم توليد الطاقة الكهربائية في هذه العملية من خلال أطراف الخلية، وتزيد الحركة بزيادة كثافة الضوء الذي يسقط على الخلية نفسها.

استخدامات الخلايا الشمسية

يمكن استخدام الطاقة الشمسية في العديد من الأشايء ومنها ما يلي:

• يمكن استخدامها في تسخين الماء، أو تسخين حمام السباحة، والتدفئة، والإضاءة، والعديد من الاستخدامات الأخرى.
• يمكن استخدامها كوسيلة للتبريد، حيث يزداد التبريد مع زيادة الإشعاع الشمسي، ويزداد بذلك كفاءة أجهزة التبريد الشمسي.
• يمكن استخدام الخلايا الشمسية في السكن والزراعة وتحلية المياه وتقطير المياه المالحة.
• الهدف الرئيسي للخلايا الشمسية هو توليد الكهرباء من أشعة الشمس، بالإضافة إلى تشغيل الأجهزة الصغيرة التي تعمل بطاقة منخفضة مثل الساعات والألعاب الإلكترونية والحواسيب الصغيرة.
• تستخدم هذه التقنية في بعض الدول في تشغيل إشارات المرور وأجهزة الإنذار ومراوح السقف وهواتف الطوارئ وضخ الماء، بالإضافة إلى استخدامها في المناطق البعيدة التي لا تتوفر فيها شبكات كهربائية.

مشاكل استخدام الخلايا الشمسية

على الرغم من أن الطاقة الشمسية هي مصدر طاقة طبيعي ومجاني يمكن الحصول عليه، فإن استخدام الخلايا الشمسية يواجه بعض المشاكل، ومن هذه المشاكل:

• تكلفة إنشاء أنظمة الخلايا الشمسية مرتفعة جدًا، ولذلك فإن عددًا كبيرًا من الأشخاص لا يفضلون استخدام الطاقة الشمسية في الأمور الشخصية مثل الاستخدامات المنزلية.
• يمكن الحصول على الطاقة الشمسية فقط خلال فترة النهار، ولا يمكن استخدامها أو الاعتماد عليها خلال فترة الليل عندما تغيب الشمس، لأن الشمس هي المصدر الرئيسي لاستخراج الطاقة الشمسية.
• تنخفض كفاءة الألواح الشمسية في الأجواء الباردة والشتوية وفي الأيام التي يكون فيها الجو غير صافٍ بسبب الضباب، ولكن يتم تلافي هذه المشكلة باستخدام بطاريات لتخزين الطاقة.
• يجب الحرص على تنظيف ألواح الطاقة الشمسية بانتظام، وإزالة الأتربة والعوائق التي تحجب اللوح الزجاجي عن أشعة الشمس.
• لا يمكن استخدام الخلايا الشمسية في الأماكن المغلقة التي لا تصل إليها أشعة الشمس بشكل كامل، أو في الأماكن الضيقة التي لا يمكن لأشعة الشمس الوصول إليها.
• يعتبر سعر البطاريات المستخدمة في تخزين الطاقة الشمسية مكلفًا جدًا.

كيفية تركيب الألواح الشمسية في المنازل بسهولة

يوجد العديد من الطرق التي يمكن اتباعها لتركيب الألواح الشمسية في المنزل بسهولة وفاعلية، والتي تساعد على تقليل السلبيات المرتبطة بالطاقة الشمسية، وتتضمن هذه الطرق ما يلي:

• يجب أولاً الحصول على مساعدة من مستشار حتى يتمكن من مساعدتك وتجنب الوقوع في الأخطاء.
• يجب تقدير المساحة المتاحة قبل شراء المعدات لتركيب الألواح الشمسية على الحوامل المخصصة، لتوفير الوقت والمال.
• يجب حساب الطاقة المطلوبة، ويمكن حساب الطاقة المطلوبة من خلال حساب المتوسط لعدد الكيلو وات في الساعة الموجودة في قسم الفواتير الخاصة بالكهرباء، ويجب الأخذ بعين الاعتبار احتياجات الطاقة في كل فصل ومدى قدرة الإنتاج والتخزين على تلبية هذه الاحتياجات، حتى في أوقات الظهيرة.
• ينصح بقراءة العديد من الكتب لفهم أساسيات الكهرباء والألواح الشمسية بشكل أفضل، وذلك لتحقيق أفضل النتائج.
• يجب اختيار نوع النظام اللازم لحساب عدد اللوحات الشمسية اللازمة للتركيب.