قبل اختراع الخلايا الشمسية كانت عملية احتراق الوقود هي مصدر الطاقة الوحيد الذي يتم تحويله من خلال آلات عديدة إلى أشكال الطاقة الأخرى الحركية، الكهربائية وغيرها، ثم جاء اختراع الخلايا الشمسية الذي يعدُّ أهم الاختراعات في العصر الحديث، لما له من فوائد عظيمة.

إنّ تلك الخلايا الشمسية تقوم بتسخير أشعة الشمس في توليد الكهرباء، دون أن يكون هناك ضرر على البيئة كالذي تسببه الغازات الناتجة عند احتراق الوقود أو مخلفات المفاعلات النووية، ولكن كيف تقوم هذه الخلايا بتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء؟، المقال التالي سيوضح الآلية التي يتم بها ذلك.

كيف تعمل الخلايا الشمسية

إنَّ ما تفعله الخلايا الشمسية هو تسخير الخواص الكهرضوئية لأشباه الموصلات التي تصنع منها (السيليكون) في توليد الكهرباء؛ ويعرف الفعل الكهرضوئي بأنه قدرة المواد على إطلاق الإلكترونات عند تعرضها للأشعة الضوئية ذات الطاقة العالية، والنقاط التالية ستشرح مراحل توليد التيار الكهربائي في الخلايا الشمسية:

  • تستقبل الخلايا الشمسية أشعة الشمس التي تتكون من جسيمات صغيرة تسمى فوتونات، وتقوم بامتصاصها دون عكسها وذلك بفضل المادة المضادة للانعكاس التي تطلى بها، عندما تصطدم هذه الفوتونات بمادة السيليكون التي تتكون منها الخلايا الشمسية، ويحدث انتقال لطاقة هذه الفوتونات إلى الطبقات السطحية من السيليكون، هذه الطاقة تؤدي لتحرر الإلكترونات من مداراتها وإطلاقها.
  • كما هو معروف؛ التيار الكهربائي عبارة عن سيل من الإلكترونات تتحرك في نفس الجهة، لذلك حتى يتم توليد الكهرباء يجب توجيه هذه الإلكترونات المنطلقة من الطبقة السطحية بجهة واحدة لتجتمع وتشكل التيار، ويتم ذلك في الخلايا الشمسية عن طريق خلق فرق كمون في المادة شبه الموصلة مما يؤدي لتوجيه الإلكترونات وفق مسار محدد اعتمادًا على شحنتها السلبية، لإحداث فرق الكمون هذا تقوم الشركات بإضافة الفوسفور إلى الطبقة العليا من السيليكون وهذا يجعل شحنة هذه الطبقة سلبية بسبب الإلكترونات الوافرة، ويتم إضافة البورون إلى الطبقات العميقة من السيليكون مما يكسبها شحنة موجبة بسبب نقص الإلكترونات، هذا يجعل الطريق الذي ستسلكها الإلكترونات محددة.
  • الخطوة الأخيرة هي توليد التيار الكهربائي؛ وتقوم بذلك الموصلات المعدنية على أطراف الخلية حيث تنقل هذه الإلكترونات إلى الأسلاك المتصلة بالخلية الشمسية لتشكيل التيار الكهربائي.1
كيف تعمل الخلايا الشمسية

كيف تؤثر درجة الحرارة على عمل الخلايا الشمسية

تعتبر درجة الحرارة إحدى العوامل الرئيسية التي تؤثر على عمل الخلايا الشمسية وقد يخطر لك للوهلة الأولى أن ارتفاع الحرارة سيزيد كمية الطاقة المتحولة إلى كهرباء، لكن هذا الاعتقاد خاطئ؛ وعلى العكس فإن ارتفاع درجة الحرارة سيؤثر سلبًا على كمية الكهرباء التي تنتجها الخلايا الشمسية.

يعبر عن تأثر الألواح الشمسية بدرجة الحرارة بمعامل الحرارة، والذي يكون بين مواصفات اللوح الشمسي الذي ستشتريه، ويختلف من واحد لآخر حسب نوع هذه الألواح وطريقة تصنيعها.

يعبر عن معامل الحرارة بدرجة مئوية فمثلًا في حال كانت قيمة معامل الحرارة للوح الذي لديك -0.5% فهذا يعني أن كمية الطاقة الكهربائية القصوى التي سينتجها هذا اللوح ستنخفض مقدار 0.5% مع كل ارتفاع في درجة الحرارة مقداره 10c.2

الميزات

  1. مصدر طاقة صديق للبيئة؛ فلا ينتج عن عملها مخلفات أو انبعاثات غازية أو إشعاعية.
  2. تعتبر أجهزة هادئة لا تصدر أي ضجيج؛ فهي لا تحوي أي أجزاء متحركة.
  3. ألواح الخلايا الشمسية مناسبة للاستخدام المنزلي؛ فتكلفتها محدودة، عمرها طويل يصل لحوالي 30 عامًا، صيانتها سهلة ولا تحتاج تزويدها بأي شيء كالوقود أو الماء أو غير ذلك.
  4. تتسم بالمرونة فأنت تستطيع اختيار حجم اللوح الذي تريده بحسب حاجتك للطاقة الكهربائية.
  5. لن تتوقف عن إمدادك بالطاقة في حال كان الجو غائمًا، مردودها الكهربائي سيضعف قليلًا، لكنها ستستمر بتزويدك بالكهرباء.

العيوب

  • صحيح أن تكلفة الخلايا الشمسية منخفضة بالنسبة لغيرها من مصادر للطاقة إلا أن تكلفة التركيب الأولي لها مرتفعة.
  • سيضعف مردودها في حال الجو الغائم أما في حال غياب مصدر الضوء فلن تعمل مطلقًا.
  • بحاجة لمساحات جغرافية كبيرة لنشر الألواح الشمسية في حالة استخدامها في محطات توليد الطاقة الكهربائية لمناطق كبيرة.
  • التيار الناتج سيكون تيارًا مستمرًّا DC ويجب تحويله إلى تيار متناوب AC لنتمكن من تشغيل معداتنا الكهربائية بواسطته.3

المراجع