مفهوم الخلية الشمسية

الخلية الشمسية: هي عبارة عن جهاز يحتوي على مجموعة من الخلايا المرصوفة بجانب بعضها البعض، يقوم مبدأ عملها على أساس تحويل أشعَّة الشمس إلى كهرباء؛ وذلك من خلال استغلال التأثير الضوئي.

حيث تتكوّن هذه الخلايا من طبقة من السّيليكون، يتمُّ تزويدها ببعض الشوائب؛ لتكسب خواص كهربائيّة، في حين يتمُّ إضافة عنصر الفسفور إلى الطَّبقة المُقابلة للشمس؛ حتى تقوم بضخِّ شحنات كهربائيّة، كما يتمُّ إضافة عنصر البورون للطَّبقات السفلى؛ حتى يتمُّ امتصاص هذه الشّحنات.

يتمُّ استخدام التجمّعات من الخلايا الشمسيّة؛ من أجل التقاط الطَّاقة القادمة من ضوء الشَّمس ومن ثمَّ تحويلها إلى كهرباء، بحيث يتمُّ تركيب هذه الخلايا عن طريق الألواح الشمسيّة، وعند تشغيل هذه الخلايا لا ينتج أيّ نوع من النفايات المُلوّنة أو ضوضاء أو حتى إشعاعات، كمّا أنّها لا تحتاج إلى الوقود لتشغيلها؛ ممّا يجعلها شكلاً من أشكال الطاقة المُتجدِّدة والنظيفة.

وقد يكون هناك خلايا شمسيّة عضويّة تعتمد على الكربون في بُنيتها الأمر الذي جعلها تتميَّز عن الخلايا الشمسيّة غير العضويّة والتي تتكوَّن من السّيليكون؛ ممّا جعل هذه الخلايا غير العضويّة مُكلفة وباهظة الثَّمن، أمّا الخلايا الشمسيّة العضويّة فهي أقل تكلفة، كما أنّه يمكن طيُّها، الأمر الذي يسمح بتصنيعها على شكل لفّات رقيقة قابلة للثني والانحناء، كما أنّه يمكن دمجها حول الهياكل وداخل الملابس، ومن الممكن تلوينها أو جعلها شفَّافة حتى تكون جزء من البيئة المحيطة لتُرضي جميع الأذواق.

الألواح الشمسية

تُعتبر الألواح الشمسيّة المُكون الرئيسيّ في النِّظام الشمسيّ الذي يقوم بتوليد الكهرباء، حيث تتكوّن هذه الألواح من مجموعة من الخلايا الموضوعة بجانب بعضها البعض. تحتوي الألواح الشمسيّة على أغطية زجاجيّة يتمُّ وضعها أعلى هذه الألواح؛ من أجل حماية مادة السّيليكون من العوامل الخارجيّة المحيطة بها، وكذلك حمايتها من الخدش.

قد تأخذ الألواح الشمسيّة أنواعاً مُتعدِّدة نذكر منّها:

• ألواح أحادية: تتكوَّن خلاياها من سبائك من السّيليكون يتمُّ تقطيعها لشرائح، تتميَّز بنقاء كريستالات السّيليكون، كما أنّها تتميَّز بوجود خلاياها بشكل مُنفضل وغير متلاصق مع بعضها البعض.

• ألواح مُتعددة: حيث تكون فيها الخلايا مُتلاصقة ومُتراصَّة مع بعضها البعض، الأمر الذي يجعلها أقل سعراً من الخلايا الأحاديّة، لكن مظهرها ليس جميل وانسيابيّ كالألواح الأحاديّة.

مبدأ عمل الخلايا الشمسية

• يتم وضع الخلايا الشمسيّة تحت الشَّمس مباشرة؛ حتى يتمُّ امتصاص أشعَّتها وتحويلها بشكل مباشر إلى طاقة كهربائيّة، بحيث تُفيد هذه الطَّاقة الإنسان في جميع مجالات حياته. تعمل الشَّمس كبديل للعمل الذي تقوم به المولِّدات الكهربائيّة المُعتادة، ففي حال شروقها تكون أشعتها تحتوي على كميّات كبيرة من الطَّاقة، الأمر الذي يجعل الألواح الشمسيّة تستقطِّب هذه الطَّاقة، نظراً لاحتواء هذه الألواح على مجموعة من الخلايا الشمسيّة.

• كما تقوم الخلايا الشمسيّة باستقبال الطَّاقة الشمسيّة، من خلال بدء الحركة بنظام الطَّرد؛ حيث يتمُّ تكوين حقولٍ كهربائيّة؛ الأمر الذي يجعل الإلكترونات تنطلق من مادَّة السيليكون( المادة شبه الموصلة) حتى يتمُّ تجميعها على شكل طاقة شمسيّة.

أنواع الخلايا الشمسية

• خلايا شمسيّة أحاديّة البلورة: لها قدرة عاليّة على امتصاص كميّات من الطَّاقة الشمسيّة والتي تترواح مابين”11% إلى 16%” من الإشعاع القادم من الشَّمس.

• خلايا شمسيّة مُتعددة البلورة: هي عبارة عن رقائق من السّيليكون، تمَّ كشطُها من بلورات اسطوانيّة سيليكونيّة، ليتمَّ البدء بمُعالجتها عن طريق وضعها في أفران تعمل على زيادة خواصِّها الكهربائيّة، حتى يحدث بعد ذلك تزويد سطح الخلايا بمضاد للانعكاس يقوم بامتصاص الاشعَّة الشمسيّة بكفاءة اقل من كفاءة الخلايا الأحاديّة.

• خلايا شمسيّة غير مُتبلورة: سهلة الصُّنع، يكون فيها السّيليكون على شكل طبقات رفيعة موجودة على سطح من البلاستيك أو الزُّجاج، تتميَّز بأنّها رخيصة الثمن غير مُكلفة، إلّا أنّها قليلة الكفاءة.

مكونات الخلايا الشمسية

• الألواح: تُعتبر من أهمِّ الأجزاء الظَّاهريّة للخلايا، يتمُّ ترتيبها وضمُّها في مصفوفات من الخلايا التي تمَّ وضعها مباشرة على الأرض أو على السَّطح، حيث يجب تثبيتها بشكل متين وجيِّد عن طريق استخدام حوامل خاصة لتثبيتها.

• البطاريّة: والتي تُستخدم من أجل جمع وتخزين الطَّاقة المُنبعثة من الشَّمس في فترة النَّهار حتى يتمُّ استخدامها ليلاً أو في الأيام التي يكون فيها الطَّقس غائماً.

• العاكس: وظيفته هي تحويل طاقة التّيار المُستمر الذي تنتجه الألوح الشمسيّة إلى طاقة التّيار المُتردِّد التي يتمُّ استخدامه من خلال أجهزة المنازل الكهربائيّة.

• جهاز التحكم في الشحن: يقوم بتنظيم كميّة التيار التي يتمَّ تغذيتها من قِبَل الألواح الضوئيّة الموجودة في البطاريّة حتى يتمَّ شحنها، كما يقوم بمنع الشَّحن الزَّائد للبطاريّة، ومنع تيار البطاريّة من التّسرُّب إلى المجموعات الضوئيّة في فترات الليل.

• السيليكون: يتمُّ استخراج هذه المادَّة من مناجم السّيليكا التي تتواجد في المناطق ذات التركيز العالي للكوارتز، بحيث يتمُّ صقل هذه المادَّة حتى تصل إلى الصِّفات المعدنيّة المطلوبة.

تطبيقات على الخلايا الشمسية

• إنارة الشوارع الرئيسيّة: حيثُ تقوم الألواح الشمسيّة الموجودة في أعمدة الإنارة على إلغاء توصيل كوابل كهربائيّة بين أعمدة الإنارة الموجودة في الشَّوارع.

• استخدام الألواح الشمسيّة في المنازل: والتي يتمُّ وضعها على أسطح المنازل، ونظراً لانخفاض أسعارها وتطوُّر صناعتها زاد اعتماد النَّاس عليّها.

• الأجهزةالمحمولة: يعتمد مبدأ عملها على الطَّاقة الشمسيّة، ومن الأمثلة عليها السَّاعات، الهواتف، الشَّواحن المحمولة، الكشافات، وغيرها الكثير من الأجهزة المُزودة بالخلايا الشمسيّة.

• تطبيقات الديكور: هناك العديد من التَّصاميم التي تمَّ دمج الخلايا الشمسيّة فيها، والتي أضافت لمسةً جماليّةً واضحة على المكان.

• رفع المياه من باطن الأرض: عن طريق استخدام مضخَّات للمياه تعتمد على الطَّاقة الشمسيّة في عملها، بحيث يتمُّ استخدام هذه المضخَّات في المناطق النائية والتي لا تصل إليها الكهرباء أو من الصَّعب توفير الوقود فيها.