الخلايا الشمسية
1ـ الطاقة الشمسية لتوليد الطاقة الكهربائية:
صُنعت أول خلية شمسية solar cell عام 1954، ومع تقدم برامج غزو الفضاء أصبحت الخلايا الشمسية المصدر الرئيسي لتوليد الطاقة الكهربائية في الفضاء، ولاسيما لتزويد الأقمار الصنعية بالطاقة الكهربائية اللازمة. وتتركز الأبحاث حالياً على تحسين مردود الخلايا ووثوقيتها والمردود وعلى خفض كلفة إنتاجها.
توسع استخدام هذه التقانة في العالم في العقد الماضي كثيراً؛ إذ قُدر مجموع الاستطاعة المركبة عام 2001 بـ 1780ميغاواط، ومن المتوقع أن تصل عام 2021 إلى 2070ميغاواط. في حين كانت عام 1991 لا تزيد على 313ميغاواط. علماً أن معظم الوحدات المركبة كانت وحدات مستقلة، ولكن هناك توجّه حالي يدعو إلى ربط الطاقة الناتجة بشبكة التغذية الكهربائية العامة.
يعتمد توليد الطاقة الكهربائية من الطاقة الشمسية على استخدام بلّورات من السليسيوم أو من النوع الشريطي القابل للطي ribbon، تُنمَّى في أفران خاصة، ثم تُصنّع شرائح منها وتُعطى الشكل والأبعاد المناسبة (مربعة أو مستطيلة أو دائرية). وغالباً ما تضم الخلايا بعضها إلى بعض على التسلسل أو على التفرع لتشكل ما يسمى باللوحات الفوتوفولطية.
مبدأ عمل الخلايا الشمسية:
تقوم الخلايا الشمسية بتحويل أشعة الشمس مباشرة إلى طاقة كهربائية ذات تيار مستمر جاهز للاستخدام أو لتخزينه في بطاريات لاستخدام لاحق. تستخدم الخلايا الشمسية لتزويد الحاسبات الشخصية بالطاقة الكهربائية اللازمة، كما تستخدم مجموعات منها لتغذية مجمَّعات صناعية أو سكنية (الشكل 1).
.jpg)
شكل 1 شكل2
تقدم أشعة الشمس استطاعة بحدود 1000واط لكل متر مربع وسطياً في المناطق القريبة من خط الاستواء عند الظهيرة، وهذه طاقة جاهزة للتحويل الكهربائي بمردود يراوح بين 10ـ12% حالياً؛ أي إن محطة توليد فوتوفولطية مساحتها 140كم×140كم يمكن أن توضع في منطقة مناسبة في الولايات المتحدة الأمريكية قادرة على توليد احتياجها من الطاقة الكهربائية والمقدرة بـ2.5×1210كيلوواط ساعي سنوياً (الشكل 2).
تتألف الخلية الشمسية من مواد نصف ناقلة semiconductor، وغالباً ما يستخدم السليسيوم silicon، حيث توضع شوائب داخله مثل البور، أو الألمنيوم، أو الغاليوم، أو الإنديوم لتصنيع مواد نصف ناقلة من النوع p، وإذا أُقحمت شوائب مثل الفوسفور، أو الانتموان تتكوّن مواد نصف ناقلة من النوع n.
وعند لصق صفيحة نصف ناقلة نوع n بأخرى نوع p تتكوّن وصلة p-n (p-n junction) ولدى إعادة توزيع الشحنات السالبة والموجبة في الخلية الناتجة يتولد حقل كهربائي داخلي في الخلية، وذلك لأن تركيز الإلكترونات على طرف الوصلة n هو أكبر بكثير منه على الطرف p.
فإذا تعرضت الخلية الشمسية لضوء الشمس تحررت أزواج إلكترونات وثقوب في منطقة وجود الحقل الكهربائي الداخلي، فتنجرف الإلكترونات باتجاه معاكس للحقل، وتتحرك الثقوب باتجاه الحقل، ويمر تيار كهربائي في الدارة الخارجية الموصولة بالخلية.
يُجمّع عادة عدد من الخلايا الشمسية على التسلسل وعلى التوازي لزيادة الكمون والتيار الناتجين، كما توضع الخلايا المجمعة بين طبقة عليا من الزجاج وطبقة حاملة بلاستيكية مشكلة وحدة module، وعند تجميع عدد من الوحدات يُحصل على منظومة array (الشكل 3).
شكل 3