تعتبر الخلايا الكهروضوئية واحدة من أبرز الوسائل المستخدمة في توليد الطاقة، حيث تقوم بتحويل الإشعاع الشمسي إلى كهرباء.
يتم هذا التحويل من خلال أشباه الموصلات، وتعتمد الألواح الشمسية على مجموعة من هذه الخلايا الشمسية.
في هذه المقالة، سنستعرض بشكل موسع أهم استخدامات الخلايا الكهروضوئية وأنواعها، لذا تابعونا في موقعنا المتميز دائماً.
ما هي الخلايا الشمسية؟
- بإيجاز، يمكن أن نطلق على الخلايا الشمسية اسم الخلايا الكهروضوئية أو الخلايا الضوئية.
- تُعتبر الخلايا الكهروضوئية من الوسائل الفعالة لتوليد الطاقة الكهربائية.
- تستند فعالية هذه الخلايا إلى تحفيز فوتونات الضوء، مما يوفر الانتقال من مستوى الطاقة المنخفض إلى مستوى الطاقة الأعلى.
- هذا يتم عبر توفير الظروف المناسبة لنقل الطاقة.
مكونات الخلايا الشمسية:
- تُصنع الخلايا الشمسية من مجموعة متنوعة من المواد، منها مواد نادرة.
- في الغالب، يتم تصنيعها باستخدام السيليكون، الذي يتوفر بكثرة في الطبيعة.
- كما قام العلماء بدراسة خصائص السيليكون بدقة، بما في ذلك ملاءمته للخلايا الشمسية.
- وقد ساعدت هذه الدراسات على فهم مدى فعالية الخلايا الشمسية.
- يمكن القول بأن الخلايا الشمسية تتكون من بلورات سيليكون سميكة، أو من السيليكون غير البلوري، أو من طبقات رقيقة من مواد شبه موصلة.
- مثل أرسنيد الجاليوم.
- تتضمن مكونات الخلايا أيضًا إطارًا من الألومنيوم وبطارية سائلة وفولتميتر، وأخيراً أسلاك توصيل.
آلية عمل الخلايا الشمسية:
- بالنسبة لآلية عمل الخلايا الشمسية، فإن الأشعة الشمسية عند سقوطها على الخلية، تقوم الطبقة المضادة للانعكاس بجذب الضوء.
- هذا يؤدي إلى تحفيز الإلكترونات في الشريحة السالبة.
- تكتسب الطاقة من الفوتونات في منطقة التكافؤ، مما يتيح لها الانتقال إلى منطقة التوصيل داخل الشريحة السالبة.
- وعلى الجهة الأخرى، تنتقل الفجوات الإيجابية إلى منطقة التوصيل في الشريحة الموجبة.
- هذا الانتقال يؤدي إلى فرق في الجهد بين سطحي الوصلة الثنائية.
- يمكن الربط بين السطحين بواسطة موصل كهربائي، مما يسمح بتوليد تيار كهربائي في الدائرة.
- تمر الإلكترونات من الوصلة السالبة إلى الوصلة الموجبة، وعند فتح الدائرة الخارجية، تنتج الخلية تيارًا بقوة 0.07 أمبير وجهدًا بقيمة 0.6 فولت.
- وبذلك، يتم إنتاج قدرة كهربائية تبلغ 0.04 واط، حيث تمثل الخلايا المصفوفة التوازي في توليد التيار.
- حيث ينتج المتر المربع من المصفوفة الواحدة تيارًا قدره 4 أمبير وقدرة كهربائية تقدر 48 واط.
- لتشغيل مضخة، هناك حاجة إلى 4 مصفوفات.
أهم استخدامات الخلايا الكهروضوئية وأنواعها:
- نتناول هنا أبرز استخدامات الخلايا الكهروضوئية، ومن بينها:
- تستخدم في تجفيف الأطعمة والمواد الغذائية الأخرى.
- تُستخدم في المجال السكني.
- تستخدم في الزراعة.
- تساعد في تقطير الماء وتحلية المياه المالحة.
- تساهم في تدفئة الأجواء والتخلص من برودتها.
- تستخدم في صهر المواد.
- استُخدمت سابقًا في طهي الطعام.
- تستخدم أيضًا لتوليد الكهرباء، وخاصةً في الأجهزة التي تحتاج إلى طاقة منخفضة مثل الألعاب الإلكترونية والساعة الرقمية.
- تستخدم بعض الدول هذه الخلايا لتشغيل إشارات المرور الضوئية.
- من أنواع الخلايا الشمسية، نجد خلايا السيليكون أحادي التبلور بكفاءة تبلغ 16%، وخلايا السيليكون متعدد التبلور بكفاءة 13%، بالإضافة إلى خلايا المصرفية بكفاءة تصل إلى 6%.
توقعات مستقبلية لإنتاج الطاقة الشمسية:
- تظهر التوقعات المستقبلية أن ألمانيا تستحوذ على إنتاج الخلايا الكهروضوئية بنحو 32.4 غيغا واط.
- تعتبر ألمانيا من أبرز الدول في هذا المجال، تليها إيطاليا وإسبانيا.
- تقوم الولايات المتحدة الأمريكية، الصين، اليابان، وأستراليا بالتوسع في إنتاج الطاقة الشمسية.
التحديات المرتبطة باستخدام الخلايا الشمسية:
- تعتبر مشكلة تراكم الغبار من العوامل التي تؤثر على كفاءة هذه الأجهزة، لذا يجب تنظيفها بانتظام.
- من المستحسن أن لا تتجاوز فترة التنظيف ثلاثة أيام، اعتمادًا على المنطقة وكثافة الغبار.
- من الصعوبات الأخرى عدم القدرة على تخزين الطاقة الشمسية واستخدامها في الليل أو خلال الأيام الغائمة.
- تعتمد القدرة التخزينية على كمية الطاقة المتاحة ومدى استخدام الطاقة.
- تواجه المجمعات الشمسية مشكلات تتعلق بالتآكل والصدأ بسبب الأملاح الموجودة في الماء.
- تُعتبر خلايا الطاقة الشمسية من أفضل التكنولوجيات الحديثة التي تسخر الطاقة الشمسية.
- تحول هذه الطاقة بشكل مباشر إلى كهرباء دون أي نفايات أو أضرار، مما يجعلها طاقة نظيفة وصديقة للبيئة.
- لذا يقوم العلماء بتطويرها للاستفادة منها في مختلف القطاعات مثل الصحة والسكن والتربية والزراعة والصناعة.
- تلك هي بعض من التحديات المرتبطة باستخدام الخلايا الشمسية.